Memcached 内存级缓存

Memcached在大型网站中应用
    memcached是一个高性能的分布式的内存对象缓存系统，通过在内存里维护一个统一的巨大的hash表，它能够用来存储各种格式的数据，包括图像、视 频、文件以及数据库检索的结果等。最初为了加速 LiveJournal 访问速度而开发的,后来被很多大型的网站采用。起初作者编写它可能是为了提高动态网页应用，为了减轻数据库检索的压力，来做的这个缓存系统。它的缓存是一 种分布式的，也就是可以允许不同主机上的多个用户同时访问这个缓存系统， 这种方法不仅解决了共享内存只能是单机的弊端， 同时也解决了数据库检索的压力，最大的优点是提高了访问获取数据的速度！基于memcached作者对分布式cache的理解和解决方案。 memcached完全可以用到其他地方 比如分布式数据库， 分布式计算等领域。
1、 memcached 协议理解
memcache是为了加快http://www.livejournal.com/访问速度而诞生的一个项目。
它的官方主页是：http://www.danga.com/memcached/
目前在网站开发中应用较少，主要的应用有：
http://www.danga.com/memcached/users.bml
在国内的网站开发中，还很少没见到有应用的，中文资料十分匮乏。
工 作机制：通过在内存中开辟一块区域来维持一个大的hash表来加快页面访问速度，和数据库是独立的。但是目前主要用来缓存数据库的数据。允许多个 server通过网络形成一个大的hash，用户不必关心数据存放在哪，只调用相关接口就可。存放在内存的数据通过LRU算法进行淘汰出内存。同时可以通 过删除和设置失效时间来淘汰存放在内存的数据。
2、 memcached 使用入门
2.1 memcached的安装
<1>memcached服务的安装
先检查linux内核版本，建议将memcached 安装在2.6以上。
因为memcached 需要用到libevent和 epoll 。
memcached安装前首先确定你的服务器上面安装了libevent库，
libevent下载地址（ http://www.monkey.org/~provos/libevent/）。
下载memcached的源码（ http://www.danga.com/memcached/download.bml）。
Memcached最初是用perl写的，现在的版本是用c写的。
下载后拷贝到一个目录，安装需要root用户来执行
tar -zxvf memcached-1.1.12.tar.gz
cd memcached-1.1.12
./configure
这里必须先要configure, 它会检测你的系统情况，然后生成一个config.h文件和其它的几个文件，另外和其它的configure一样，你可以配置它的安装路径等等。默认应用程序安装在/usr/local/bin目录下。
make //编译
make install //安装
<2>memcached客户端的安装
根据memcached协议，用户可以自己写出符合自己要求的客户端程序。目前http://www.danga.com/memcached/download.bml
提供perl,c,java,python,php等客户端程序供下载和参考。下面我就以perl客户端程序为例说明客户端的安装：
下载后拷贝到一个目录，安装需要root用户来执行
tar -zxvf Cache-Memcached-1.14.tar.gz
cd Cache-Memcached-1.14
perl makefile.pl
make
make install
make test
这样就安装好了memcahced， 启动memcached就可使用分布式缓存系统了！
2.2 快速入门
<1> memcached服务的启动
memcached的启动非常简单，它没有配置文件，只要配置好几个参数就可以使用了。下面我以一个实际应用的例子，具体说明一下：
memcached –d –m 500 -l 64.128.191.151 -p 11211 -vv >>/var/www/kelly/test/logs/memcached_$$.log
启 动的这个memcached为一个后台守护进程模式（-d), 然后缓存的空间为500M（-m), 监听(-l)服务器64.128.191.15的11211号端口(-p).,将日志写道 /var/www/kelly/test/logs/memcached_$$.log(-vv)。
其实memcached的参数也非常的有限,就下面这几个：
? -p port number to listen on
? -l interface to listen on, default is INDRR_ANY
? -d run as a daemon
? -r maximize core file limit
? -u assume identity of (only when run as root)
? -m max memory to use for items in megabytes, default is 64 MB
? -M return error on memory exhausted (rather than removing items)
? -c max simultaneous connections, default is 1024
? -k lock down all paged memory
? -v verbose (print errors/warnings while in event loop)
? -vv very verbose (also print client commands/reponses)
? -h print this help and exit
? -i print memcached and libevent license
我们也可以将这个启动脚本写道/etc/rc.d或者/erc/rc.local，这样可以在服务器启动时候执行。
<2> memcached客户端的连接
下面我就以perl客户端程序为例说明客户端的连接:
启动两个memcached server
memcached –d –m 500 -l 64.128.191.151 -p 11211 -vv >>/var/www/kelly/test/logs/memcached_$$.log
memcached –d –m 500 -l 64.128.191.151 -p 11212 -vv >>/var/www/kelly/test/logs/memcached_$$.log
perl客户端程序
#!/usr/bin/perl
use Cache::Memcached;
my $memd = new Cache::Memcached {
'servers' => [ "64.128.191.15:11211" , "64.128.191.15:11212"],
};
my $val = $memd->get( "my_key" );
if ( $val )
{
print "Value is '$val'\n";
}
# Set a value
$memd->set("my_key", "123");
$memd->disconnect_all();
运行测试
$ perl test-memcache.pl
$ perl test-memcache.pl
Value is '123'
可以看到，第一次没有取得my_key，第二次从memcached中得到my_key的值。
同时通过查看日志，可以发现的确存储在两个memcache server中。
这个简单的例子，解释了如何在memcached中存取数据，以及memcache是真正的分布式缓存系统。
当然，这还只是很简单的例子，体现不出memcache的优势，下面将通过一个很具体的例子，给出详细的应用。
3、 memcached在Zorpia的应用
http://www.zorpia.com 是一个网页相册，博客，交友，论坛的大型网站公司。现在已有超过140万活跃使用者遍布美国，香港，东南亚，欧洲，澳洲，亚洲等其它地区。每天的访问量都在增长，已成为全世界排名第五的社会生活关系网。
Memcached也采用了memcached来提高网站的访问速度，并且取得了很好的效果，我在负责zorpia的memcached项目时候积累了一些经验，主要的做法如下：
1） 通过对memcache的perl客户端进行包装，定制自己的客户端。
2） 通过制定符合zorpia规范的hash key命名规范
? ? memcache中需要存储的内容的key均由string组成。
这个string统一由一个memcache.pm的subroutine来实现。(假设这个subroutine是 get_key() )
? ? memcache中存放两种形式的数据
(1) result of SQL query :
(2) 普通变量(variable)
这两种数据的key的组合方式是不相同的，由get_key进行判断和完成
? ? 关于get_key 和 naming rule
get_key subroutine完成所有memcache key的命名，naming rule也是在它里边体现：
(1)输入参数 －－ hash结构，里边定义了当前需要存放的数据的信息
结构
(2)返回值 －－ string，返回数据的key_name
?必须确定 get_key 的传入hash的结构，
hash中主要有两个元素
type --- 定义当前数据结构的类型 ，有 'var' , 'sql'两种值
object --- 存放当前数据结构的详细信息，
当 type eq 'var'时，object表示变量的名字，该名字由程序员指定
当 type eq 'sql'时，object包含所存放sql的主要基本信息，hash结构，也由程序员按照规则制定
## 当variable 数据类型，比较简单
$var_hash = {
type => 'var', ## var表示当前类型是 variable
object => 'language', ## language代表variable的名字
};
生成的key是Zorpia::var| language
## sql 数据
比如select first_name from user where user_id =2那么hash为
$sql_hash = {
type => 'sql',
object => {
table => {table2=>"user",}, ## sql 查询的表
column => {column1=>"first_name",}, ## sql所要查询的column
condition => { user_id =>"2",}, ## sql条件
},
};
生成的key是Zorpia::sql|user|first_name| user_id =2
get_key subroutine必须对传入hash进行判断，对不同类型的数据按照不同的方式组合，形成key，返回给使用者。这个key，必须保证其唯一性：
比如：所有字母小写，一些数组在组合成key之前必须首先排序
? ? get_key函数
sub get_key{
my $hash = shift;
return undef unless $hash && ref $hash eq "HASH";
my $type = $hash->{type};
my $key_name;
if ($type eq 'sql') {
my ($table_key,$column_key,$condition_key);
$table_key=_get_key($hash->{object}->{table});
$column_key=_get_key($hash->{object}->{column});
$condition_key=_get_key($hash->{object}->{condition});
$key_name = join('|',$type,$table_key,$column_key,$condition_key);
#Currently the length limit of a key is set at 250 characters
if (length($key_name)>250)
{
$key_name=substr(0,250,$key_name);
}
}
elsif($type eq 'var')
{
$key_name = join('|',$type,$hash->{object});
}
return $key_name;
}
sub _get_key
{
my $hash=shift;
return undef unless $hash && ref $hash eq "HASH";
my ($t,$ret,$i);
foreach $i (sort keys %$hash)
{
$i=~s/^\s+|\s+$//g;
$hash->{$i}=~s/^\s+|\s+$//g;
push(@$t,lc("$i=$hash->{$i}"));
}
$ret=join(':',sort { $a cmp $b } @$t);
return $ret;
}
3） 制定需要应用memcached的规则
?经常访问的表user,user_details
?合理设定变量在memcached的生存周期
?将活跃用户的信息预先导入到memcached
?分别在多台机器上启动多个memcached服务
?编写脚本监控memcached服务是否活动
4） User表的具体应用举例
? 在 select时候
先查询memcahce里有没有，有的话，返回；否则从数据库select,在memcache里设置，返回。
my $sql_hash = {
type => 'sql',
object => {
table => {table1=>"user",},
column => {column1=>"user_id",},
condition => {email=>$user_id,},
},
};
my $key=Zorpia::MemCache::get_key($sql_hash);
my $user_id_by_email=Zorpia::MemCache::get($key);
if(!$user_id_by_email)
{
my $sth;
my $query ="select user_id from user where email=?";
$sth = $dbh->prepare($query);
$sth->execute($user_id);
my $user1 = $sth->fetchrow_hashref();
$user_id_by_email=$user1->{'user_id'};
Zorpia::MemCache::set($key,$user_id_by_email,1800);
}
?在 update,insert,delete时候
先在数据库update,insert,delete,在memcache里设置，返回。
&Zorpia::DB::data_entry_no_return($dbh,"user","COUNT(*)","$account_information_insert_statement user_id=$current_user_id", "user_id=$current_user_id");
#add by kelly
my $sql_hash = {
type => 'sql',
object => {
table => {table1=>"user",},
column => {column1=>"user_id",},
condition => {user_id=>$current_user_id,},
},
};
my $key=Zorpia::MemCache::get_key($sql_hash);
my $query = "SELECT *, user_id AS id FROM user WHERE user_id=?";
my $sth_memc = $dbh->prepare($query);
$sth_memc->execute($current_user_id);
my $user_memc = $sth_memc->fetchrow_hashref();
&Zorpia::MemCache::set($key,$user_memc,21600);
4、 memcached的应用展望
使 用了memcached以后， 我发现以前做过的很多的项目都可以应用它提高效率，包括最近做的“大单追踪”， “数码搜索”等等。当然既然memcahced是分布式的缓存系统，那么它就是建立了一个分布式的平台， 我们可以用它来进行分布式的记数， 因为对于一个键值key我们可以设置它的数值以及有效期在参数中，另外还可以重新设置这个键值的数值。 所以我总结了一下目前可以应用到的地方：
<1>.数据库检索结果的缓存，也就是说可以有机的和数据库结合起来应用，提高效率。
这也是目前memcached用到的最多的地方，比如用于大型网站等。
可以这样来实现：
打开memcached服务器连接
编写sql语句， 同时算出它的一个hash key值
获取这个hash值的memcached保存数据(get)
如果获取的这个hash值的数据存在。返回
否则连接数据库查找
把这个查找结果保存在memcached中(set)，可以设置有效期
返回查找结果
<2>.分布式计算
<3>.分布式共享数据
总之，memcached的机制比较灵活，可以适用于一切需要分布式缓存数据的地方，随着memcached逐渐为人所知，必将在更多的分布式应用领域大放异彩。

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Memcached是什么?
Memcached是高性能的，分布式的内存对象缓存系统，用于在动态应用中减少数据库负载，提升访问速度。
Memcached由Danga Interactive开发，用于提升LiveJournal.com访问速度的。LJ每秒动态页面访问量几千次，用户700万。Memcached将数据库负载大幅度降低，更好的分配资源，更快速访问。
如何使用memcached-Server端?
在服务端运行：
# ./memcached -d -m 2048 -l 10.0.0.40 -p 11211
这将会启动一个占用2G内存的进程，并打开11211端口用于接收请求。由于32位系统只能处理4G内存的寻址，所以在大于4G内存使用PAE的32位服务器上可以运行2-3个进程，并在不同端口进行监听。
如何使用memcached-Client端?
在应用端包含一个用于描述Client的Class后，就可以直接使用，非常简单。
PHP Example:
$options["servers"] = array("192.168.1.41:11211", "192.168.1.42:11212");
$options["debug"] = false;
$memc = new MemCachedClient($options);
$myarr = array("one","two", 3);
$memc->set("key_one", $myarr);
$val = $memc->get("key_one");
print $val[0]."\n"; // prints 'one‘
print $val[1]."\n"; // prints 'two‘
print $val[2]."\n"; // prints 3
为什么不使用数据库做这些？
暂且不考虑使用什么样的数据库(MS-SQL, Oracle, Postgres, MysQL-InnoDB, etc..), 实现事务(ACID，Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability )需要大量开销，特别当使用到硬盘的时候，这就意味着查询可能会阻塞。当使用不包含事务的数据库（例如Mysql-MyISAM），上面的开销不存在，但 读线程又可能会被写线程阻塞。
Memcached从不阻塞，速度非常快。
为什么不使用共享内存?
最初的缓存做法是在线程内对对象进行缓存，但这样进程间就无法共享缓存，命中率非常低，导致缓存效率极低。后来出现了共享内存的缓存，多个进程或者线程共享同一块缓存，但毕竟还是只能局限在一台机器上，多台机器做相同的缓存同样是一种资源的浪费，而且命中率也比较低。
Memcached Server和Clients共同工作，实现跨服务器分布式的全局的缓存。并且可以与Web Server共同工作，Web Server对CPU要求高，对内存要求低，Memcached Server对CPU要求低，对内存要求高，所以可以搭配使用。
Mysql 4.x的缓存怎么样?
Mysql查询缓存不是很理想，因为以下几点：
当指定的表发生更新后，查询缓存会被清空。在一个大负载的系统上这样的事情发生的非常频繁，导致查询缓存效率非常低，有的情况下甚至还不如不开，因为它对cache的管理还是会有开销。
在32位机器上，Mysql对内存的操作还是被限制在4G以内，但memcached可以分布开，内存规模理论上不受限制。
Mysql上的是查询缓存，而不是对象缓存，如果在查询后还需要大量其它操作，查询缓存就帮不上忙了。
如果要缓存的数据不大，并且查询的不是非常频繁，这样的情况下可以用Mysql 查询缓存，不然的话memcached更好。
数据库同步怎么样？
这里的数据库同步是指的类似Mysql Master-Slave模式的靠日志同步实现数据库同步的机制。
你可以分布读操作，但无法分布写操作，但写操作的同步需要消耗大量的资源，而且这个开销是随着slave服务器的增长而不断增长的。
下一步是要对数据库进行水平切分，从而让不同的数据分布到不同的数据库服务器组上，从而实现分布的读写，这需要在应用中实现根据不同的数据连接不同的数据库。
当这一模式工作后（我们也推荐这样做），更多的数据库导致更多的让人头疼的硬件错误。
Memcached可以有效的降低对数据库的访问，让数据库用主要的精力来做不频繁的写操作，而这是数据库自己控制的，很少会自己阻塞 自己。
Memcached快吗？
非常快，它使用libevent，可以应付任意数量打开的连接（使用epoll，而非poll），使用非阻塞网络IO，分布式散列对象到不同的服务器，查询复杂度是O(1)。
参考资料：
Distributed Caching with Memcached | Linux Journal
http://www.danga.com/
http://www.linuxjournal.com/article/7451