memcache详解

为大家详细剖析一下memcache

缓存是什么？为什么要使用缓存？

缓存，通过在内存中缓存数据和对象来减少读取数据库的次数，从而提供动态、数据库驱动网站的速度。

缓存工具有哪些？区别在哪里？

缓存工具：Memecached、redis、MongoDB

区别：

1. 性能都比较高：总体来讲，TPS（每秒总事务量）方面redis和memcache差不多，要大于 mongodb；
2. 操作的便利性：

a) memcache数据结构单一

b) redis丰富一些，数据操作方面，redis更好一些，较少的网络IO次数，

c) mongodb支持丰富的数据表达，索引，最类似关系型数据库，支持的查询语言非常丰富；

1. 内存空间的大小和数据量的大小：

a) redis在2.0版本后增加了自己的VM特性，突破物理内存的限制，可以对key value设置过期时间（类似memcache）；

b) memcache可以修改最大可用内存,采用LRU算法；

c) mongoDB适合大数据量的存储，依赖操作系统VM做内存管理，吃内存也比较厉害，服务不要和别的服务在一起；

1. 可靠性（持久化）：

a) redis支持（快照、AOF）：依赖快照进行持久化，aof增强了可靠性的同时，对性能有所影响；

b) memcache不支持，通常用在做缓存,提升性能；

c) MongoDB从1.8版本开始采用binlog方式支持持久化的可靠性

1. 数据一致性（事务支持）：

a) Memcache 在并发场景下，用cas保证一致性；

b) redis事务支持比较弱，只能保证事务中的每个操作连续执行

c) mongoDB不支持事务

1. 数据分析：mongoDB内置了数据分析的功能(mapreduce),其他不支持

Memecached详解

Memecached、memecached和memecache的区别：

1. 其中首字母大写的Memcached，指的是Memcached服务器，就是独立运行Memcached的后台服务器，用于存储数据的“数据库”;
2. 而memcached和memcache指的是Memcached的客户端。其中memcache是独立用php实现的，属于老旧的版本。而memcached是基于原生的c的libmemcached的扩展，更加完善，性能更高一些。

Memecached重点启动设置参数

1. –m：默认分配内存大小为64M，32位操作系统下每个进程最大分配内存为2G，所以如果需要分配更多的内存需要使用64位操作系统，但是这个不会一启动就占用，是随着需要逐步分配给各slab的。；
2. –I：调整分配page页的大小，默认1M，最小1K，最大128K；
3. –f：memcached默认情况下下一个slab的最大值为前一个的1.25倍，可通过此参数来设定；
4. –P：TCP端口设置，默认为11211；
5. –l(小写L)：监听的IP地址，如果为本机可不设置；
6. –d：以守护进程的方式运行；
7. –u：指定用户；
8. –M：禁止LRU策略，内存耗尽时返回错误，而不是删除项；
9. –c：最大同时连接数，默认为1024；
10. –t：线程数，默认为4；

e.g. /usr/bin/memcached -m 64 -p 11212 -u nobody -c 2048 -f 1.1 -I 1024 -d -l 10.211.55.9

Memecached内存分配策略

当第一次往memcached存储数据时, memcached会去申请1MB的内存（这1M的内存成为page） , 然后把该块内存分割为多个slab，如果可以存储这个数据的最佳的chunk大小为128B,那么memcached会把刚申请的slab以128B为单位进行分割成8192块. 当这页slab的所有chunk都被用完时,并且继续有数据需要存储在128B的chunk里面时,如果已经申请的内存小于最大可申请内存10MB 时,memcached继续去申请1M内存,继续以128B为单位进行分割再进行存储;如果已经无法继续申请内存,那么mamcached会先根据LRU 算法把队列里面最久没有被使用到的chunk进行释放后,再将该chunk用于存储.

Page为内存分配的最小单位

Memcached的内存分配以page为单位，默认情况下一个page是1M，可以通过-I参数在启动时指定。如果需要申请内存 时，memcached会划分出一个新的page并分配给需要的slab区域。page一旦被分配在重启前不会被回收或者重新分配

Slabs划分数据空间

Memecached存储数据时不是直接将数据存储到page中，而是预先划分为一系列的slab，每个slab至负责存储大于上一个slab同时又小于或等于其本身大小的数据，如slab2只负责存储105~136 byte之间大小的数据，每个slab大小是不一样的，默认下一个slab的最大值为前一个的1.25倍（-f）

Chunk才是存放缓存数据的单位

Memecached将每个slab划分为一系列相等大小的存储空间，这个空间就叫做chuck。Chunk是Memecached的最小存储单元。同时，如果存储数据大小小于chunk的大小，空余的空间将会被闲置，这个是为了防止内存碎片而设计的。例如下图，chunk size是224byte，而存储的数据只有200byte，剩下的24byte将被闲置。

Memcached内存分配策略

综合上面的介绍，memcached的内存分配策略就是：按slab需求分配page，各slab按需使用chunk存储。

这里有几个特点要注意：Memcached分配出去的page不会被回收或者重新分配Memcached申请的内存不会被释放slab空闲的chunk不会借给任何其他slab使用

Memecached的static命令详解

使用Telnet客户端连接Memecached后可以使用static命令

命令	含义说明
stats slabs	显示各个slab的信息，包括chunk的大小、数目、使用情况等
stats items	显示各个slab中item的数目和最老item的年龄（最后一次访问距离现在的秒数）
stats detail [on|off|dump]	设置或者显示详细操作记录； 参数为on，打开详细操作记录； 参数为off，关闭详细操作记录； 参数为dump，显示详细操作记录（每一个键值get、set、hit、del的次数）
stats malloc	打印内存分配信息
stats sizes	打印缓存使用信息
stats reset	重置统计信息

Memecached的分布式算法

当一台Memecached无法满足我们的需求时，我们需要配置多台Memecached服务器，这种用法就叫做Memecached的分布式，但是随之而来的问题是，假设我们有三台服务器A、B、C，需要存一个用户姓名，然后存在了服务器A上，那么当我们要取得时候如何得知我们之前存在哪里了呢？如何解决这个问题就成了Memecached分布式的重点。

通常而言我们有两种方式来实现：

1. 哈希取摸（取余数）：

a) 简介：假设我们有3台服务器，我们将存入Memecached中的key通过哈希算法得到一个整数，然后将这个整数与3取摸，那么不管这个整数是多少，结果必然是0，1，2中的一个，那么这样一来就可以解决这个问题。

b) 缺点：当我们服务器的数量发生变化时，依靠上述算法结果将会与未变化之前不同，导致原先我们存入的数据丢失无法获取到。

c) 代码示例：

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

<?php /**  * 普通Hash分布  * 天涯PHP博客  * http://blog.phpha.com  */ //Hash函数 function mHash($key){ $md5 = substr(md5($key), 0, 8); $seed = 31; $hash = 0; for($i = 0; $i < 8; $i++){ $hash = $hash * $seed + ord($md5{$i}); $i++; } return $hash & 0x7FFFFFFF; } //假设有2台Memcached服务器 $servers = array( array('host' => '192.168.1.1', 'port' => 11211), array('host' => '192.168.1.1', 'port' => 11211) ); $key = 'MyBlog'; $value = 'http://blog.phpha.com'; $sc = $servers[mHash($key) % 2]; $memcached = new Memcached($sc); $memcached->set($key, $value); ?>

1. 一致性哈希分布算法，一致性Hash分布算法分4个步骤：

a) 将一个32位整数[0 ~ (2^32-1)]想象成一个环，0 作为开头，(2^32-1) 作为结尾，当然这只是想象。

b) 通过Hash函数把KEY处理成整数。这样就可以在环上找到一个位置与之对应。

c) 把Memcached服务器群映射到环上，使用Hash函数处理服务器对应的IP地址即可。

d) 把数据映射到Memcached服务器上。查找一个KEY对应的Memcached服务器位置的方法如下：从当前KEY的位置，沿着圆环顺时针方向出发，查找位置离得最近的一台Memcached服务器，并将KEY对应的数据保存在此服务器上。

e) 代码示例：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59

<?php /**  * 一致性Hash分布  * 天涯PHP博客  * http://blog.phpha.com  */ class FlexiHash{ //服务器列表 private $serverList = array(); //记录是否已经排序 private $isSorted = FALSE; //添加一台服务器 public function addServer($server){ $hash = $this->mHash($server); if(!isset($this->serverList[$hash])){ $this->serverList[$hash] = $server; } //需要重新排序 $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } //移除一台服务器 public function removeServer($server){ $hash = $this->mHash($server); if(isset($this->serverList[$hash])){ unset($this->serverList[$hash]); } //需要重新排序 $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } //在当前服务器列表查找合适的服务器 public function lookup($key){ $hash = $this->mHash($key); //先进行倒序排序操作 if(!$this->isSorted){ krsort($this->serverList, SORT_NUMERIC); $this->isSorted = TRUE; } //圆环上顺时针方向查找当前KEY紧邻的一台服务器 foreach($this->serverList as $pos => $server){ if($hash >= $pos) return $server; } //没有找到则返回顺时针方向最后一台服务器 return $this->serverList[count($this->serverList) - 1]; } //Hash函数 private function mHash($key){ $md5 = substr(md5($key), 0, 8); $seed = 31; $hash = 0; for($i = 0; $i < 8; $i++){ $hash = $hash * $seed + ord($md5{$i}); $i++; } return $hash & 0x7FFFFFFF; } } ?>

说明：这样一来，当添加或移除某一台服务器时，受影响的数据范围变的更小了。

Memecached的用法

1. add、set、replace的区别：

a) add用于添加一个要缓存的数据；

b) set用于设置一个指定key的内容，是add和replace的集合；

c) replace用户替换一个指定key的内容，如果key不存在则返回false；

方法	当key存在	当key不存在
add	false	true
replace	替换（true）	false
set	替换（true）	true

1. flush  用于清除缓存的所有数据；
2. cas  仅在当前客户端最后一次取值后，该key 对应的值没有被其他客户端修改的情况下， 才能够将值写入
3. increment和decrement：

a) increment，将元素的值+1，如果元素的值不是数字则按0处理；

b) decrement，将元素的值-1，如果元素的值不是数组则按0处理；

c) 可以通过increment和decrement实现Memecached的队列；

1. append和prepend：

a) append 向元素后面追加内容；

b) prepend 向元素前面追加内容；