第1章 memcached

1 memcached前言

1.1 memcached诞生的原因

2003年诞生了memcached

Web1.0 2005以前  企业提供内容为主。

Web2.02005-2012  企业只提供平台，用户参与上传下载内容。

memcached 内存缓存软件，内存比磁盘快。

传统场景中，多数web应用都将数据保存在关系型数据库中（如mysql），web服务器从中读取数据并在浏览器中显示。但是随着数据量增大，访问的集中，关系型数据库的负担就会加重，响应缓慢，导致网站打开延迟等问题，影响用户体验。

1.2 memcached的作用

解决高并发访问的问题，减轻传统数据库mysql的压力。

不关注数据可靠性，只关心高并发读写。

使用memcached的重要目的是通过自身内存中缓存关系型数据库的查询结果，减少数据库被访问的次数，提高动态web应用的速度，提高网站架构的并发能力和可扩展性。

memcached服务的运行工作原理：通过事先规划好的系统内存空间中临时缓存数据库中的各类数据，以达到减少前端业务服务对数据库的直接高并发访问，从而提升大规模网站集群中动态服务的并发能力。

生产场景中的memcached服务一般用来保存网站中被经常读取的对象或数据，就像客户端浏览器会把经常访问的网页缓存起来，通过内存缓存来存取对象或数据要比磁盘存取快很多，因为磁盘是机械的。

2 memcached的特点与工作机制

2.1 memcached的特点

• 协议简单。

  采用的是基于文本行的协议，能通过Telnet/nc等命令直接操作memcached服务存取数据。

• 支持epoll/kqueue异步I/O模型，使用libevent作为事件处理通知机制。

• 采用key/value键值形式存在。

• 全内存缓存，效率高。

         memcached管理内存的方式非常高效，即全部的数据都存放于memcached服务预先分配好的内存中，无持久化存储的设计，和系统的物理内存一样，当重启memcached或系统时，memcached内存中的数据就会丢失。

   如果希望重启后，数据依然能保存，那么就可以采用redis这样的持久性内存缓存系统。

• 可支持分布式集群。

         memcached没有向mysql那样的主从复制方式，分布式memcached集群的不同服务器之间是互不通信的，每一个节点都独立存取数据，并且数据内容不一样。通过对web应用端的程序设计或通过支持hash算法的负载均衡软件，可以让memcached支持大规模海量分布式缓存集群应用。

• memcached工作原理与机制

memcached是一套类似于C/S模式架构的软件，在服务器端启动memcached守护进程，可以指定监听本地的IP地址，端口号，并发访问连接数，以及分配了多少内存来处理客户端请求。

• socket事件处理机制

• 数据存储机制

• 内存管理机制

• 多线程处理机制

  
  

• 2.2memcached常见用途工作流程

• 网站读取memcached数据时的工作流程

• web程序首先检查客户端请求的数据是否在memcached缓存中存在，如果存在，直接把请求的数据返回给客户端，此时不再请求后端数据库。

• 如果请求的数据在memcached缓存中不存在，则程序会去请求数据库服务，把从数据库中取到的数据返回给客户端，同时把新取到的数据缓存一份到memcached缓存中。

• 2.3.网站更新memcached数据时的工作流程

具体流程如下：

• 当程序更新或删除数据时，会首先处理后端数据库中的数据。

• 在处理后端数据库中数据的同时，也会通知memcached，告诉他对应的旧数据失效，从而保证memcached中缓存的数据始终和数据库中一致，这个数据一致性非常重要，也是大型网站分布式缓存集群最头疼的问题所在。

• 如果是在高并发读写场合，除了要程序通知memcached过期的缓存失效外，还可能要通过相关机制，例如在数据库上部署相关程序（如在数据库中设置触发器使用UDFs）,实现当数据库有更新时就把数据库更新到memcached服务中，这样一来，客户端在访问新数据时，因预先把更新过的数据复制到memcached中缓存起来了，所以可以减少第一次查询数据库带来的访问压力，提升memcached中缓存的命中率，甚至新浪门户网站还会把持久化存储redis做成mysql数据库的从库，实现真正的主从复制。

• 2.4.memcached在企业中的应用场景

• 数据库前端的缓存。

• 读数据：

   开发程序从逻辑上，首先访问（读）memcahced，如果没有数据在访问mysql。

1. 写数据：

   如果写数据，那么再写数据库的同时，把数据写入到memcached，或者写入到mysql的同时，由mysql复制到memcached。

   Linux运维角色：

   搭建memcached服务，提供服务（使用信息问开发）

1.3.2.2         集群后端的共享会话session。

session门票。如果网站内有了这个门票，就可以浏览任意页面。

解决共享会话方案

1、nginx的调度算法ip_hash（缺点：导致负载不均）

2、通过memcahced做共享会话。

3、cookies（放在用户浏览器端）。

   优点，可以大并发，缺点：容易篡改，不安全。

参考内容：

http://oldboy.blog.51cto.com/2561410/1331316

http://oldboy.blog.51cto.com/2561410/1323468

第2章 memcached服务安装

2.1 安装livevent及连接memcached工具nc

2.1.1 准备环境及libevent安装

[root@db01-51 ~]# cat /etc/redhat-release

CentOS release 6.8 (Final)

[root@db01-51 ~]# uname -r

2.6.32-642.el6.x86_64

[root@db01-51 ~]# uname -m

x86_64

[root@db01-51 ~]#

yum install libevent-devel -y

rpm -qa libevent-devel

2.1.2 安装memcached

yum install memcached -y

rpm -qa memcached

2.1.3 启动memcached服务

[root@db01 ~]# memcached -m 16m -c2048 -u root -p 11211 -d

[root@db01 ~]# netstat -lntp|grepmemcache

tcp        0     0 0.0.0.0:11211       0.0.0.0:*       LISTEN      4026/memcached     

tcp        0     0 :::11211             :::*            LISTEN      4026/memcached 

2.1.3.1memcached启动命令相关参数说明

2.1.4 向memcached中写入数据并检查

2.1.4.1向memcached中写入数据实战

1. 通过Telnet命令写入数据

安装Telnet工具

yum install telnet nc -y

telnet 127.0.0.1 11211

通过Telnet向memcached中写入数据。

[root@db01 ~]# telnet 127.0.0.1 11211

Trying 127.0.0.1...

Connected to 127.0.0.1.

Escape character is ‘^]‘.

set k1 0 0 6        

oldboy

STORED

get k1

VALUE k1 0 6

oldboy

END

delete k1

DELETED

get k1

END

1. 通过printf配合nc向memcached中写入数据，命令如下：

printf "set key008 0 06\r\noldboy\r\n"|nc 127.0.0.1 11211

printf "set key008 0 010\r\noldboy0987\r\n"|nc 127.0.0.1 11211

通过printf配合nc向memcached中删除数据，命令如下

printf "delete key008 0 06\r\noldboy\r\n"|nc 127.0.0.1 11211

2.2 客户端软件安装

php所在服务器上安装memcache客户端，程序才能访问到memcached。

2.2.1 解压编译安装

tar zxf memcache-2.2.5.tgz

cd memcache-2.2.5

/application/php/bin/phpize

./configure  --enable-memcache --with-php-config=/application/php/bin/php-config

make

make install

cd ../

ls -l/application/php-5.5.32/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20121212/

注意：有时候make安装时会出现下面的错误，这时候执行make clean即可

2.2.1.1make、clean、distclean的用法讲解

makefile定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作，因为 makefile就像一个Shell脚本一样，其中也可以执行操作系统的命令。

makefile带来的好处就是--“自动化编译”,一旦写好，只需要一个make命令，整个工程完全自动编译，极大的提高了软件开发的效率。make是一个命令工具，是一个解释makefile中指令的命令工具，一般来说，大多数的IDE都有这个命令，比如：Delphi的make,VisualC++的nmake,Linux下GNU的make.可见，makefile都成为了一种在工程方面的编译方法。

make

根据Makefile文件编译源代码、连接、生成目标文件、可执行文件。

make clean

清除上次的make命令所产生的object文件（后缀为“.o”的文件）及可执行文件。

make install

将编译成功的可执行文件安装到系统目录中，一般为/usr/local/bin目录。

make dist

产生发布软件包文件（即distribution package）。这个命令将会将可执行文件及相关文件打包成一个tar.gz压缩的文件用来作为发布软件的软件包。

它会在当前目录下生成一个名字类似“PACKAGE-VERSION.tar.gz”的文件。PACKAGE和VERSION,是我们在configure.in中定义的AM_INIT_AUTOMAKE（PACKAGE, VERSION）。

make distcheck

生成发布软件包并对其进行测试检查，以确定发布包的正确性。这个操作将自动把压缩包文件解开，然后执行configure命令，并且执行make,来确认编译不出现错误，最后提示你软件包已经准备好，可以发布了。

make distclean

类似make clean,但同时也将configure生成的文件全部删除掉，包括Makefile文件。

2.2.2 配置PHP访问memcached

配置：

vim /application/php/lib/php.ini        ##最后一行追加两行下面内容

extension_dir = "/application/php-5.5.32/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20121212/"

extension = memcache.so

重启Php

pkill php-fpm

/application/php/sbin/php-fpm

2.2.3 编写测试memcached服务的PHP脚本

[root@web02 php]# cat/application/nginx/html/blog/a.php

<?php

phpinfo();

?>

通过页面：blog.etiantian.org/a.php检查mc的配置情况。

搜索memcache页面内容，如果有结果，表示成功。

补充：开发php访问memcached代码

<?php

   $memcache = new Memcache;

   $memcache->connect(‘10.0.0.51‘, 11211) or die ("Could notconnect Mc server");

   $memcache->set(‘key‘, ‘oldboy book‘);

   $get= $memcache->get(‘key‘);

   echo $get;

?>

2.3 通过memcached php工具展示memcached状态信息

2.3.1 部署memcached php 工具

因为这个软件时基于PHP程序的，因此需要有PHP环境才行。

2.3.2 采用IP或解析好的域名进行访问

第3章 memcached内存管理

3.1 memcached内存管理机制深入剖析

malloc全称memory allocation，中文名称动态内存分配，当无法知道内存具体位置的时候，想要绑定真正的内存空间，就需要用到动态分配内存。早期的memcached内存管理是通过malloc分配的内存实现的，使用完通过free来回收。

3.1.1 slab内存管理机制（重点）

现在的memcached是利用slab allocation机制来分配和管理内存的。过程如下：

1. 提前将大内存分配大小为1MB的若干个slab，然后针对每个slab再进行小对象填充，这个小对象称为chunk，避免大量重复的初始化和清理，减轻了内存管理器的负担。

        slab   allocation内存分配的原理：按着预先规定的大小，将分配给memcached服务的内存预先分割成特定长度的内存块（chunk）,再把尺寸相同的内容块分成组（chunk slab class），这些内存块不会释放，可以重复利用。

1.  新增数据对象存储时，因为memcached服务器中保存着slab内空闲的chunk的列表，他会根据该列表选择chunk，然后将数据缓存其中。当有数据存入时，memcached根据接受到的数据的大小，选择最适合数据大小的slab 分配一个能存下这个数据的最小内存块（chunk）

   1.1.1slab内存管理机制的特点

   提前分配大内存slab 1MB，再进行小对象填充chunk。

   避免大量重复的初始化和清理，减轻内存管理器负担。

   避免频繁malloc/free内存分配导致的碎片。

内存管理机制小结：

• mc的早期内存管理机制为malloc（动态内存分配）

• malloc（动态内存分配）产生内存碎片，导致操作系统性能下降。

• slab 内存分配机制可以解决内存碎片的问题。

• memcached服务的内存预先分割成特定长度的内存块，称为chunk，用于缓存数据的内存空间或内存块，相当于磁盘的block，只不过磁盘的每一个block都是相等的，而chunk只有在同一个slab class内才是相等的。

• slab class 指特定大小（1MB）的包含多个chunk的集合或组，一个memcached包含多个slab class，每个slab class 包含多个相同大小的chunk。

• slab机制也有缺点，如chunk的空间会有浪费。

• memcached  slab allocator内存管理机制的缺点

• chunk 存储item浪费空间

• slab 尾部剩余空间

• memcached的过期检测与删除机制

• memcached懒惰检测对象过期机制

memcached不会主动检测item对象是否过期，而是在进行get操作时检查item对象是否过期及是否应该删除。

因为不会主动加测item对象是否过期，自然不会释放已经分配给对象的内存空间了，除非为添加的数据设定过期时间或内存缓存满了，在数据过期后，客户端不能通过key取出他的值，其存储空间将被重新利用。

mcached使用的这种策略为懒惰检测对象过期策略，即自己不监控存入的key/value对是否过期，而是在获取key值时查看记录的时间戳，从而检查key/value对空间是否过期，这种策略不会再过期检查上浪费CPU资源。

3.1.2.2memcached懒惰删除对象机制

当删除item对象时，一般不会释放内存空间，而是做删除标记，将指针放入slot回收插槽，下次分配的时候直接使用。

memcached在分配空间时，会优先使用已经过期的key/value对空间，若分配的内存空间占满，memcached就会使用LRU算法来分配空间，删除最近很少使用的key/value对，从而将其空间分配给新的key/value对。

memcached删除机制小结：

q  不主动监测item对象是否过期， 而是在get时才会检查item对象是否过期以及是否应该删除。

q  当删除item对象时，一般不释放内存空间，而是做删除标记，将指针放入slot回收插槽，下次分配的时候直接使用。

q  当内存空间满的时候，将会根据LRU算法把最近很少使用的item对象删除。

q  数据存入可以设定过期时间，但是数据过期不会立即删除，而是在get时检查item对象是否过期以及是否应该删除。

q  如果不希望系统使用LRU算法清除数据，可以使用-M参数。

Memcached就会使用LRU算法来分配空间，删除最近最少使用的key/value对，从而将其空间分配给新的key/value对。

网站缓存：squid,nginx,varnish

缓存图片、视频等。 缓解后端存储系统的压力

NOSQL库：Redis,Memcached,MongoDB,HBase,Cassandra

Memcached 缓存数据库的数据

Redis：除了当内存用，还可以放到磁盘

1、缓存功能

2、辅助存储数据（好友关注、粉丝、投票）

MongoDB 可以直接放数据

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memcached部署