以下是《memcached全面剖析》的第二部分。
发表日：2008/7/9
作者：前坂徹(Toru Maesaka)
原文链接：http://gihyo.jp/dev/feature/01/memcached/0002
我是mixi株式会社研究开发组的前坂徹。 上次的文章介绍了memcached是分布式的快速缓存server。
本次将介绍memcached的内部构造的实现方式。以及内存的管理方式。 另外，memcached的内部构造导致的弱点也将加以说明。
Slab Allocation机制：整理内存以便反复使用
近期的memcached默认情况下採用了名为Slab Allocator的机制分配、管理内存。
在该机制出现曾经，内存的分配是通过对全部记录简单地进行malloc和free来进行的。 可是。这样的方式会导致内存碎片，加重操作系统内存管理器的负担，最坏的情况下。 会导致操作系统比memcached进程本身还慢。
Slab Allocator就是为解决该问题而诞生的。
以下来看看Slab Allocator的原理。
以下是memcached文档中的slab allocator的目标：
the primary goal of the slabs subsystem in memcached was to eliminate memory fragmentation issues totally by using fixed-size memory chunks coming from a few predetermined size classes.
也就是说。Slab Allocator的基本原理是依照预先规定的大小。将分配的内存切割成特定长度的块， 以全然解决内存碎片问题。
Slab Allocation的原理相当简单。 将分配的内存切割成各种尺寸的块（chunk）， 并把尺寸同样的块分成组（chunk的集合）（图1）。
图1 Slab Allocation的构造图
并且，slab allocator还有反复使用已分配的内存的目的。
也就是说。分配到的内存不会释放，而是反复利用。
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之后依据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
以下说明memcached怎样针对client发送的数据选择slab并缓存到chunk中。
memcached依据收到的数据的大小。选择最适合数据大小的slab（图2）。 memcached中保存着slab内空暇chunk的列表。依据该列表选择chunk， 然后将数据缓存于当中。
图2 选择存储记录的组的方法
实际上。Slab Allocator也是有利也有弊。以下介绍一下它的缺点。
Slab Allocator的缺点
Slab Allocator攻克了当初的内存碎片问题，但新的机制也给memcached带来了新的问题。
这个问题就是，因为分配的是特定长度的内存。因此无法有效利用分配的内存。
比如。将100字节的数据缓存到128字节的chunk中，剩余的28字节就浪费了（图3）。
图3 chunk空间的使用
对于该问题眼下还没有完美的解决方式。但在文档中记载了比較有效的解决方式。
The most efficient way to reduce the waste is to use a list of size classes that closely matches (if that's at all possible) common sizes of objects that the clients of this particular installation of memcached are likely to store.
就是说，假设预先知道client发送的数据的公用大小，或者仅缓存大小同样的数据的情况下， 仅仅要使用适合数据大小的组的列表。就能够降低浪费。
可是非常遗憾，如今还不能进行不论什么调优，仅仅能期待以后的版本号了。 可是，我们能够调节slab class的大小的区别。 接下来说明growth factor选项。
使用Growth Factor进行调优
memcached在启动时指定 Growth Factor因子（通过-f选项）， 就能够在某种程度上控制slab之间的差异。默认值为1.25。
可是，在该选项出现之前，这个因子以前固定为2，称为“powers of 2”策略。
让我们用曾经的设置。以verbose模式启动memcached试试看：
$ memcached -f 2 -vv
以下是启动后的verbose输出：
slab class 1: chunk size 128 perslab 8192
slab class 2: chunk size 256 perslab 4096
slab class 3: chunk size 512 perslab 2048
slab class 4: chunk size 1024 perslab 1024
slab class 5: chunk size 2048 perslab 512
slab class 6: chunk size 4096 perslab 256
slab class 7: chunk size 8192 perslab 128
slab class 8: chunk size 16384 perslab 64
slab class 9: chunk size 32768 perslab 32
slab class 10: chunk size 65536 perslab 16
slab class 11: chunk size 131072 perslab 8
slab class 12: chunk size 262144 perslab 4
slab class 13: chunk size 524288 perslab 2
可见，从128字节的组開始。组的大小依次增大为原来的2倍。 这样设置的问题是，slab之间的区别比較大。有些情况下就相当浪费内存。
因此。为尽量降低内存浪费，两年前追加了growth factor这个选项。
来看看如今的默认设置（f=1.25）时的输出（篇幅所限，这里仅仅写到第10组）：
slab class 1: chunk size 88 perslab 11915
slab class 2: chunk size 112 perslab 9362
slab class 3: chunk size 144 perslab 7281
slab class 4: chunk size 184 perslab 5698
slab class 5: chunk size 232 perslab 4519
slab class 6: chunk size 296 perslab 3542
slab class 7: chunk size 376 perslab 2788
slab class 8: chunk size 472 perslab 2221
slab class 9: chunk size 592 perslab 1771
slab class 10: chunk size 744 perslab 1409
可见，组间差距比因子为2时小得多。更适合缓存几百字节的记录。 从上面的输出结果来看，可能会认为有些计算误差， 这些误差是为了保持字节数的对齐而有益设置的。
将memcached引入产品。或是直接使用默认值进行部署时。 最好是又一次计算一下数据的预期平均长度，调整growth factor。 以获得最恰当的设置。内存是珍贵的资源，浪费就太可惜了。
接下来介绍一下怎样使用memcached的stats命令查看slabs的利用率等各种各样的信息。
查看memcached的内部状态
memcached有个名为stats的命令，使用它能够获得各种各样的信息。 运行命令的方法非常多，用telnet最为简单：
$ telnet 主机名 port号
连接到memcached之后，输入stats再按回车，就可以获得包含资源利用率在内的各种信息。 此外，输入"stats slabs"或"stats items"还能够获得关于缓存记录的信息。 结束程序请输入quit。
这些命令的具体信息能够參考memcached软件包内的protocol.txt文档。
$ telnet localhost 11211
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
stats
STAT pid 481
STAT uptime 16574
STAT time 1213687612
STAT version 1.2.5
STAT pointer_size 32
STAT rusage_user 0.102297
STAT rusage_system 0.214317
STAT curr_items 0
STAT total_items 0
STAT bytes 0
STAT curr_connections 6
STAT total_connections 8
STAT connection_structures 7
STAT cmd_get 0
STAT cmd_set 0
STAT get_hits 0
STAT get_misses 0
STAT evictions 0
STAT bytes_read 20
STAT bytes_written 465
STAT limit_maxbytes 67108864
STAT threads 4
END
quit
另外。假设安装了libmemcached这个面向C/C++语言的client库，就会安装 memstat 这个命令。 用法非常easy，能够用更少的步骤获得与telnet同样的信息，还能一次性从多台server获得信息。
$ memstat --servers=server1,server2,server3,...
libmemcached能够从以下的地址获得：
查看slabs的使用状况
使用memcached的创造着Brad写的名为memcached-tool的Perl脚本，能够方便地获得slab的使用情况 （它将memcached的返回值整理成easy阅读的格式）。
能够从以下的地址获得脚本：
用法也极其简单：
$ memcached-tool 主机名:port 选项
查看slabs使用状况时无需指定选项，因此用以下的命令就可以：
$ memcached-tool 主机名:port
获得的信息例如以下所看到的：
# Item_Size Max_age 1MB_pages Count Full?
1 104 B 1394292 s 1215 12249628 yes
2 136 B 1456795 s 52 400919 yes
3 176 B 1339587 s 33 196567 yes
4 224 B 1360926 s 109 510221 yes
5 280 B 1570071 s 49 183452 yes
6 352 B 1592051 s 77 229197 yes
7 440 B 1517732 s 66 157183 yes
8 552 B 1460821 s 62 117697 yes
9 696 B 1521917 s 143 215308 yes
10 872 B 1695035 s 205 246162 yes
11 1.1 kB 1681650 s 233 221968 yes
12 1.3 kB 1603363 s 241 183621 yes
13 1.7 kB 1634218 s 94 57197 yes
14 2.1 kB 1695038 s 75 36488 yes
15 2.6 kB 1747075 s 65 25203 yes
16 3.3 kB 1760661 s 78 24167 yes
各列的含义为：
| 列 | 含义 |
| # | slab class编号 |
| Item_Size | Chunk大小 |
| Max_age | LRU内最旧的记录的生存时间 |
| 1MB_pages | 分配给Slab的页数 |
| Count | Slab内的记录数 |
| Full? | Slab内是否含有空暇chunk |
从这个脚本获得的信息对于调优很方便，强烈推荐使用。
内存存储的总结
本次简单说明了memcached的缓存机制和调优方法。 希望读者能理解memcached的内存管理原理及其优缺点。
下次将继续说明LRU和Expire等原理，以及memcached的最新发展方向—— 可扩充体系（pluggable architecher））。
原文：http://kb.cnblogs.com/page/42732/；