mecached内存管理与原理

许多Web应用程序都将数据保存到RDBMS中，应用服务器从中读取数据并在浏览器中显示。但随着数据量的增大，访问的集中，就会出现REBMS的负担加重，数据库响应恶化，网站显示延迟等重大影响。Memcached是高性能的分布式内存缓存服务器。一般的使用目的是通过缓存数据库查询结果，减少数据库的访问次数，以提高动态Web应用的速度、提高扩展性。如图：

Memcached 的特点：

Memcached 作为高速运行的分布式缓存服务器具有以下特点。

1. 协议简单：memcached 的服务器客户端通信并不使用复杂的MXL等格式，而是使用简单的基于文本的协议。
2. 基于libevent 的事件处理：libevent 是个程序库，他将Linux 的epoll 、BSD类操作系统的kqueue 等时间处理功能封装成统一的接口。 memcached使用这个libevent库，因此能在Linux、BSD、Solaris等操作系统上发挥其高性能。
3. 内置内存存储方式：为了提高性能，memcached中保存的数据都存储在memcached内置的内存存储空间中。由于数据仅存在于内存中，因此重启memcached，重启操作系统会导致全部数据消失。另外，内容容量达到指定的值之后memcached回自动删除不适用的缓存。
4. Memcached 不互通信的分布式：memcached尽管是“分布式”缓存服务器，但服务器端并没有分布式功能。各个memcached不会互相通信以共享信息。他的分布式主要是通过客户端实现的。

 

Memcached 的内存管理

最近的memcached 默认情况下采用了名为Slab Allocatoion的机制分配，管理内存。在改机制出现以前，内存的分配是通过对所有记录简单地进行malloc 和free来进行的。但是这中方式会导致内存碎片，加重操作系统内存管理器的负担。

Slab Allocator的基本原理是按照预先规定的大小，将分配的内存分割成特定长度的块，已完全解决内存碎片问题。Slab Allocation 的原理相当简单。将分配的内存分割成各种尺寸的块（chucnk），并把尺寸相同的块分成组（chucnk 的集合）如图：

而且slab allocator 还有重复使用已分配内存的目的。也就是说，分配到的内存不会释放，而是重复利用。

 

Slab Allocation 的主要术语

   Page :分配给Slab 的内存空间，默认是1MB。分配给Slab 之后根据slab 的大小切分成chunk.

   Chunk : 用于缓存记录的内存空间。

   Slab Class:特定大小的chunk 的组。

在Slab 中缓存记录的原理

Memcached 根据收到的数据的大小，选择最合适数据大小的Slab (图2) memcached 中保存着slab内空闲chunk的列表，根据该列表选择chunk,然后将数据缓存于其中。

 

Memcached 在数据删除方面有效里利用资源

          Memcached 删除数据时数据不会真正从memcached 中消失。Memcached不会释放已分配的内存。记录超时后，客户端就无法再看见该记录（invisible 透明），其存储空间即可重复使用。

          Lazy Expriation memcached 内部不会监视记录是否过期，而是在get时查看记录的时间戳，检查记录是否过期。这种技术称为lazy expiration.因此memcached 不会再过期监视上耗费CPU时间。

          LRU:从缓存中有效删除数据的原理 :Memcached 会优先使用已超时的记录空间，但即使如此，也会发生追加新纪录时空间不足的情况。此时就要使用名为Least Recently Used (LRU)机制来分配空间。这就是删除最少使用的记录的机制。因此当memcached 的内存空间不足时（无法从slab class）获取到新空间时，就从最近未使用的记录中搜索，并将空间分配给新的记录。

 

Memcached 分布式

        Memcached 虽然称为“分布式“缓存服务器，但服务器端并没有“分布式”的功能。Memcached的分布式完全是有客户端实现的。现在我们就看一下memcached 是怎么实现分布式缓存的。

        例: 下面假设memcached服务器有node1～node3三台，应用程序要保存键名为“tokyo”“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma” 的数据。

同样，“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma”都是先选择服务器再保存。

接下来获取保存的数据。获取时也要将要获取的键“tokyo”传递给函数库。函数库通过与数据保存时相同的算法，根据“键”选择服务器。使用的算法相同，就能选中与保存时相同的服务器，然后发送get命令。只要数据没有因为某些原因被删除，就能获得保存的值。

这样，将不同的键保存到不同的服务器上，就实现了memcached的分布式。 memcached服务器增多后，键就会分散，即使一台memcached服务器发生故障无法连接，也不会影响其他的缓存，系统依然能继续运行。