memcache基本原理及集群原理

       服务端缓存所提供的最重要功能。其既可以提高单个请求的响应速度，又可以降低服务层及数据库层的压力。　　

　　memcache是一个内存缓存系统，通过读取内存中数据和对象减少访问数据库的次数，从而提高效率。memcache是以key-value形式存放的hashmap。

　　memcache使用模型图（借鉴别的博客）：

　　

 

memcache集群之间是不会通信的（与之形成对比的，比如JBoss Cache，某台服务器有缓存数据更新时，会通知集群中其他机器更新缓存或清除缓存数据），完全依赖于客户端实现。

MemCache一次写缓存的流程：

1、应用程序输入需要写缓存的数据

2、API将Key输入路由算法模块，路由算法根据Key和MemCache集群服务器列表得到一台服务器编号

3、由服务器编号得到MemCache及其的ip地址和端口号

4、API调用通信模块和指定编号的服务器通信，将数据写入该服务器，完成一次分布式缓存的写操作

 

一个大型服务 常常拥有上百个Memcached实例。而在这上百个Memcached实例中所存储的数据则不尽相同。由于这种数据的异构性，我们需要在访问由 Memcached所记录的信息之前决定在该服务端缓存系统中到底由哪个Memcached实例记录了我们所想要访问的数据

 

如上图所示，用户需要通过一个Memcached客户端来完成对缓存服务所记录信息的访问。该客户端知道服务端缓存系统中所包含的所有 Memcached服务实例。在需要访问具有特定键值的数据时，该客户端内部会根据所需要读取的数据的键值，如“foo”，以及当前Memcached缓存服务的配置来计算相应的哈希值，以决定到底是哪个Memcached实例记录了用户所需要访问的信息。在决定记录了所需要信息的Memcached实例之后，Memcached客户端将从配置中读取该Memcached服务实例所在地址，并向该Memcached实例发送数据访问请求，以从该 Memcached实例中读取具有键值“foo”的信息。在各个论坛的讨论中，这被称为是Memcached的两阶段哈希（Two-stage hash）。

 

（一） 集群实现原理：

一致性Hash算法：

 

 

具体算法过程为：先构造一个长度为2³²次方的整数环（这个环被称为一致性Hash环），根据节点名称的Hash值（其分布为[0, 2³²-1]）将缓存服务器节点放置在这个Hash环上，然后根据需要缓存的数据的Key值计算得到其Hash值（其分布也为[0, 2³²-1]），然后在Hash环上顺时针查找距离这个Key值的Hash值最近的服务器节点，完成Key到服务器的映射查找。

就如同图上所示，三个Node点分别位于Hash环上的三个位置，然后Key值根据其HashCode，在Hash环上有一个固定位置，位置固定下之后，Key就会顺时针去寻找离它最近的一个Node，把数据存储在这个Node的MemCache服务器中。

（二）MemCache实现原理

首先要说明一点，MemCache的数据存放在内存中，存放在内存中个人认为意味着几点：

1、访问数据的速度比传统的关系型数据库要快，因为Oracle、MySQL这些传统的关系型数据库为了保持数据的持久性，数据存放在硬盘中，IO操作速度慢

2、MemCache的数据存放在内存中同时意味着只要MemCache重启了，数据就会消失

3、既然MemCache的数据存放在内存中，那么势必受到机器位数的限制，这个之前的文章写过很多次了，32位机器最多只能使用2GB的内存空间，64位机器可以认为没有上限

然后我们来看一下MemCache的原理，MemCache最重要的莫不是内存分配的内容了，MemCache采用的内存分配方式是固定空间分配，还是自己画一张图说明：

 

这张图片里面涉及了slab_class、slab、page、chunk四个概念，它们之间的关系是：

1、MemCache将内存空间分为一组slab

2、每个slab下又有若干个page，每个page默认是1M，如果一个slab占用100M内存的话，那么这个slab下应该有100个page

3、每个page里面包含一组chunk，chunk是真正存放数据的地方，同一个slab里面的chunk的大小是固定的

4、有相同大小chunk的slab被组织在一起，称为slab_class

MemCache内存分配的方式称为allocator，slab的数量是有限的，几个、十几个或者几十个，这个和启动参数的配置相关。

MemCache中的value过来存放的地方是由value的大小决定的，value总是会被存放到与chunk大小最接近的一个slab中，比如slab[1]的chunk大小为80字节、slab[2]的chunk大小为100字节、slab[3]的chunk大小为128字节（相邻slab内的chunk基本以1.25为比例进行增长，MemCache启动时可以用-f指定这个比例），那么过来一个88字节的value，这个value将被放到2号slab中。放slab的时候，首先slab要申请内存，申请内存是以page为单位的，所以在放入第一个数据的时候，无论大小为多少，都会有1M大小的page被分配给该slab。申请到page后，slab会将这个page的内存按chunk的大小进行切分，这样就变成了一个chunk数组，最后从这个chunk数组中选择一个用于存储数据。

如果这个slab中没有chunk可以分配了怎么办，如果MemCache启动没有追加-M（禁止LRU，这种情况下内存不够会报Out Of Memory错误），那么MemCache会把这个slab中最近最少使用的chunk中的数据清理掉，然后放上最新的数据。针对MemCache的内存分配及回收算法，总结三点：

1、MemCache的内存分配chunk里面会有内存浪费，88字节的value分配在128字节（紧接着大的用）的chunk中，就损失了30字节，但是这也避免了管理内存碎片的问题

2、MemCache的LRU算法不是针对全局的，是针对slab的

3、应该可以理解为什么MemCache存放的value大小是限制的，因为一个新数据过来，slab会先以page为单位申请一块内存，申请的内存最多就只有1M，所以value大小自然不能大于1M了

再总结MemCache的特性和限制 

上面已经对于MemCache做了一个比较详细的解读，这里再次总结MemCache的限制和特性：

1、MemCache中可以保存的item数据量是没有限制的，只要内存足够

2、MemCache单进程在32位机中最大使用内存为2G，这个之前的文章提了多次了，64位机则没有限制

3、Key最大为250个字节，超过该长度无法存储

4、单个item最大数据是1MB，超过1MB的数据不予存储

5、MemCache服务端是不安全的，比如已知某个MemCache节点，可以直接telnet过去，并通过flush_all让已经存在的键值对立即失效

6、不能够遍历MemCache中所有的item，因为这个操作的速度相对缓慢且会阻塞其他的操作

7、MemCache的高性能源自于两阶段哈希结构：第一阶段在客户端，通过Hash算法根据Key值算出一个节点；第二阶段在服务端，通过一个内部的Hash算法，查找真正的item并返回给客户端。从实现的角度看，MemCache是一个非阻塞的、基于事件的服务器程序

8、MemCache设置添加某一个Key值的时候，传入expiry为0表示这个Key值永久有效，这个Key值也会在30天之后失效。

来自博客园：https://www.cnblogs.com/yoyoyao/p/8809114.html