memcached缓存服务器简介及其应用

目录

一、Memcached是什么

二、Memcached的特征

三、Memcached的设计哲学

四、Memcached的安装与配置

五、安装Memcache的PHP扩展，使用php支持memcached功能

六、使用libmemcached的客户端工具

七、Nginx整合memcached,为nginx提供静态页面缓存功能

 

Memcached是什么？

memcached是以LiveJournal旗下Danga Interactive 公司的Brad Fitzpatric 为首开发的一款软件。现在

已成为mixi、hatena、Facebook、Vox、LiveJournal等众多服务中提高Web应用扩展性的重要因素。

Memcached是一款开源、高性能、分布式内存对象缓存系统，可应用各种需要缓存的场景，其主要目的是通过降低对Database的访问来加速web应用程序。许多Web应用都将数据保存到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RDBMS的负担加重、数据库响应恶化、 网站显示延迟等重大影响。这时就该memcached大显身手了。memcached一般的使用目的是，通过缓存数据库查询的结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度、 提高可扩展性。它是一个基于内存的“键值对”存储，用于存储数据库调用、API调用或页面引用结果的直接数据，如字符串、对象等。

 

其工作流程图为：

 

二、memcached的特征

memcached作为高速运行的分布式内存缓存服务器，具有以下的特点。

协议简单

基于libevent的事件处理

内置内存存储方式

memcached不互相通信的分布式

 

1、协议简单

memcached的服务器客户端通信并不使用复杂的XML等格式， 而使用简单的基于文本行的协议。因此，通过telnet 也能在memcached上保存数据、取得数据。

 

2、基于libevent的事件处理

libevent是个程序库，它将Linux的epoll、BSD类操作系统的kqueue等事件处理功能 封装成统一的接口。即使对服务器的连接数增加，也能发挥O(1)的性能。 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。

注：o(1)特性使得10000个连接和1个连接的查询速度是一样的。

 

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，内容容量达到指定值之后，就基于LRU(Least Recently Used)算法自动删除不使用的缓存。 memcached本身是为缓存而设计的服务器，因此并没有过多考虑数据的永久性问题。

memcached默认情况下采用了名为Slab Allocator的机制分配、管理内存。 在该机制出现以前，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，这种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。

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各种尺寸的块（chunk）， 并把尺寸相同的块分成组（chunk的集合，在图中指的是slab class）。各个尺寸的chunk大小是通过其增长因子（growth  factor）来决定的，默认增长因子为1.25。下一个尺寸的chunk大小=之前一个chunk大小*增长因子。如下图所示：

 

而且，slab allocator还有重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，而是重复利用。不过由于slab  Allocator分配的是特定长度的chunk，因此，当缓存的数据没有chunk长度大时，仍然会造成空间浪费。

 

 

4、memcached不互相通信的分布式

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。那么，怎样进行分布式呢？ 这完全取决于客户端的实现。

memcached的分布式可以由2种算法来实现：

1、余数分布式算法（或者取模分布式算法）

2、Consistent Hashing算法（一致性hash算法）

 

余数分布式算法

余数分布式算法是根据键做hash计算，将计算的结果除以服务器台数，并取最后的余数，这样余数为几，就将数据存储在哪台服务器上。

如有3台服务器。需要将键"hello",'nice','hi'存储在memecache上，分别对这些键做has计算，并将计算的结果处于服务器台数（这里为3），然后取其余数，假设这里余数分别为0、1、2。那么余数为0则将会将键"hello"存储在第一台服务器上，余数为1表示将键"nice"存储在第二台服务器上，余数为2表示将键"hi"存储在第三台服务器上。这就是余数分布式算法。

余数分布式算法的缺点在于，当新增或减少一台服务器上，其余数会发生改变，当程序需要获取数据时，这样会无法获取其之前相同服务器上的数据，导致缓存丢失。这种缓存丢失可能是全局的，因此，影响范围比较广，所以，此算法一般不建议采用。

 

 

Consistent Hashing的简单说明

首先求出memcached服务器（节点）的哈希值，并将其配置到0～2³²的圆（continuum）（图中白色的圆环）上。然后用同样的方法求出存储数据的键的哈希值（图中粉红色的圆就是键的hash值），并映射到圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一个服务器上。如果超过2³²仍然找不到服务器，就会保存到第一台memcached服务器上。如下图所示：

这种算法和上述算法相比，影响缓冲的命中率要小一些。不管是增加一个memcached节点，还是减少一个节点，它只会影响其该节点所在的continuum附加逆时针的少许数据。

 

三、Memcached的设计哲学

Memcached是一款开发工具，它既不是一个代码加速器，也不是数据库中间件。其设计哲学思想主要反映在如下方面：

1. 简单key/value存储：服务器不关心数据本身的意义及结构，只要是可序列化数据即可。存储项由“键、过期时间、可选的标志及数据”四个部分组成；

2. 功能的实现一半依赖于客户端，一半基于服务器端：客户负责发送存储项至服务器端、从服务端获取数据以及无法连接至服务器时采用相应的动作；服务端负责接收、存储数据，并负责数据项的超时过期；

3. 各服务器间彼此无视：不在服务器间进行数据同步；

4. O(1)的执行效率

5. 清理超期数据：默认情况下，Memcached是一个LRU缓存，同时，它按事先预订的时长清理超期数据；但事实上，memcached不会删除任何已缓存数据，只是在其过期之后不再为客户所见；而且，memcached也不会真正按期限清理缓存，而仅是当get命令到达时检查其时长；

 

 

四、memcached的安装与配置

Memcached提供了为数不多的几个命令来完成与服务器端的交互，这些命令基于memcached的协议实现。

存储类命令：set, add, replace, append, prepend

获取数据类命令：get, delete, incr/decr

统计类命令：stats, stats items, stats slabs, stats sizes

清理命令： flush_all

 

1、安装libevent

memcached依赖于libevent API，因此要事先安装之，项目主页：http://libevent.org/，读者可自行选择需要的版本下载。本文采用的是目前最新版本的源码包libevent-2.0.16-stable.tar.gz。安装过程：

 

# tar xf libevent-2.0.22-stable.tar.gz

# cd libevent-2.0.22-stable

# ./configure --prefix=/usr/local/libevent

# make && make install

 

# echo "/usr/local/libevent/lib" > /etc/ld.so.conf.d/libevent.conf

# ldconfig 

 

2、安装配置memcached

 

(1)、安装memcached

# tar xf memcached-1.4.22.tar.gz 

# cd memcached-1.4.22

# ./configure --prefix=/usr/local/memcached --with-libevent=/usr/local/libevent（libevent的安装目录）

# make && make install

 

 

(2)、memcached SysV的startup脚本代码如下所示，将其建立为/etc/init.d/memcached文件：

 

#!/bin/bash

#

# Init file for memcached

#

# chkconfig: - 86 14

# description: Distributed memory caching daemon

#

# processname: memcached

# config: /etc/sysconfig/memcached

 

. /etc/rc.d/init.d/functions

 

## Default variables

PORT="11211"

USER="nobody"

MAXCONN="1024"

CACHESIZE="64"

 

 

RETVAL=0

prog="/usr/local/memcached/bin/memcached"

desc="Distributed memory caching"

lockfile="/var/lock/subsys/memcached"

 

start() {

        echo -n $"Starting $desc (memcached): "

        daemon $prog -d -p $PORT -u $USER -c $MAXCONN -m $CACHESIZE 

        RETVAL=$?

        echo

        [ $RETVAL -eq 0 ] && touch $lockfile

        return $RETVAL

}

 

stop() {

        echo -n $"Shutting down $desc (memcached): "

        killproc $prog

        RETVAL=$?

        echo

        [ $RETVAL -eq 0 ] && rm -f $lockfile

        return $RETVAL

}

 

restart() {

        stop

        start

}

 

reload() {

        echo -n $"Reloading $desc ($prog): "

        killproc $prog -HUP

        RETVAL=$?

        echo

        return $RETVAL

}

 

case "$1" in

  start)

        start

        ;;

  stop)

        stop

        ;;

  restart)

        restart

        ;;

  condrestart)

        [ -e $lockfile ] && restart

        RETVAL=$?

        ;;       

  reload)

        reload

        ;;

  status)

        status $prog

        RETVAL=$?

        ;;

   *)

        echo $"Usage: $0 {start|stop|restart|condrestart|status}"

        RETVAL=1

esac

 

exit $RETVAL

 

 

使用如下命令配置memcached成为系统服务：

# chmod +x /etc/init.d/memcached

# chkconfig --add memcached

# service memcached start

 

查看memcached进程是否已经启动了。如：

# netstat -tnlp | grep 11211

tcp        0      0 0.0.0.0:11211               0.0.0.0:*                   LISTEN      3068/memcached      

tcp        0      0 :::11211                    :::*                        LISTEN      3068/memcached   

(3)、使用telnet命令测试memcached的使用

 

Memcached提供一组基本命令用于基于命令行调用其服务或查看服务器状态等。

查看memcached的内部状态信息

首先是要telnet连接到memcached，然后再输入stats可以获取其memcached各种信息：

# telnet 127.0.0.1 11211

stats

STAT pid 14381

STAT uptime 307

STAT time 1427814867

STAT version 1.4.22

STAT libevent 2.0.22-stable

STAT pointer_size 64

STAT rusage_user 0.000000

STAT rusage_system 0.002999

STAT curr_connections 10

STAT total_connections 11

STAT connection_structures 11

STAT reserved_fds 20

STAT cmd_get 0

STAT cmd_set 0

STAT cmd_flush 0

STAT cmd_touch 0

STAT get_hits 0

STAT get_misses 0

STAT delete_misses 0

STAT delete_hits 0

STAT incr_misses 0

STAT incr_hits 0

STAT decr_misses 0

STAT decr_hits 0

STAT cas_misses 0

STAT cas_hits 0

STAT cas_badval 0

STAT touch_hits 0

STAT touch_misses 0

STAT auth_cmds 0

STAT auth_errors 0

STAT bytes_read 7

STAT bytes_written 0

STAT limit_maxbytes 67108864

STAT accepting_conns 1

STAT listen_disabled_num 0

STAT threads 4

STAT conn_yields 0

STAT hash_power_level 16

STAT hash_bytes 524288

STAT hash_is_expanding 0

STAT malloc_fails 0

STAT bytes 0

STAT curr_items 0

STAT total_items 0

STAT expired_unfetched 0

STAT evicted_unfetched 0

STAT evictions 0

STAT reclaimed 0

STAT crawler_reclaimed 0

STAT lrutail_reflocked 0

END

 

输入stats slabs或stats items可以获取其缓存相关信息，如：

stats slabs

STAT active_slabs 0

STAT total_malloced 0

END

stats items

END

 

测试，使用add命令添加数据

add命令语法格式：

add keyname flag  timeout  datasize

如：

add mykey 0 10 12

Hello world!

 

使用get命令获取指定key所对应的数据

get命令语法格式为：

get keyname

如：get mykey

VALUE mykey 0 12

Hello world!

END

 

(4)、memcached的常用选项说明

 

-l <ip_addr>：指定进程监听的地址；

-d: 以守护进程方式在后台运行；

-u <username>：以指定的用户身份运行memcached进程；

-m <num>：用于缓存数据的最大内存空间，单位为MB，默认为64MB；

-c <num>：最大支持的并发连接数，默认为1024；

-p <num>: 指定监听的TCP端口，默认为11211；

-U <num>：指定监听的UDP端口，默认为11211，0表示关闭UDP端口；

-t <threads>：用于处理入站请求的最大线程数，仅在memcached编译时开启了支持线程才有效；

-f <num>：设定Slab Allocator定义预先分配内存空间大小固定的块时使用的增长因子；

-M：当内存空间不够使用时返回错误信息，而不是按LRU算法利用空间；

-n: 指定最小的slab chunk大小；单位是字节；

-S: 启用sasl进行用户认证；

-s:监听的本地套接字

 

 

注意：配到这里，memcached服务器已经搭建好了，下面还需配置php，让其支持memcached功能。上面的部分和下面的部分不是在同一个服务器上进行的。

 

(在另一台服务器上的配置)

五、安装Memcache的PHP扩展，使用php支持memcached功能

默认情况下。php从数据库获得数据并不会自动缓存到memcache中，需要程序员在开发时，自行调用memcache api，这样才使得memcache功能生效。要想让php从数据库获取到的数据缓存到memcache中，需要安装php的memcache扩展。这样当php需要使用数据时，首先从memcache中查找，如果在memcache中找不到，然后再去数据库查询，并将查询的结果缓存在memcache中，然后在返回给应用程序。

对于php的安装这里不再详述了。（我这台服务器上已经安装了lnmp）

①安装PHP的memcache扩展

php的memcache扩展下载地址：http://pecl.php.net/package/memcache

# tar xf memcache-2.2.4.tgz

# cd memcache-2.2.4

# /usr/local/php/bin/phpize

# ./configure --with-php-config=/usr/local/php/bin/php-config --enable-memcache

# make && make install

 

上述安装完后会有类似以下的提示：

Installing shared extensions:     /usr/local/php/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20131226/

 

②编辑vim /etc/php.d/memcache.ini，添加如下行信息：

extension=/usr/local/php/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20131226/memcache.so

 

而后对memcached功能进行测试，在网站根目录中建立测试页面test.php，添加如下内容：

# vim  /usr/html/test.php

<?php

$mem = new Memcache;

$mem->connect("192.168.108.199", 11211)  or die("Could not connect");    ##这里我的memcached服务器所在地址为192.168.108.199

 

$version = $mem->getVersion();

echo "Server's version: ".$version."<br/>\n";

 

$mem->set('testkey', 'Hello World', 0, 600) or die("Failed to save data at the memcached server");

echo "Store data in the cache (data will expire in 600 seconds)<br/>\n";

 

$get_result = $mem->get('testkey');

echo "$get_result is from memcached server.";         

?>

 

测试，在浏览器上面输入http://192.168.108.230/test.php，如果显示如下信息，则表明memcache已经能够正常工作。

 

六、使用libmemcached的客户端工具

访问memcached的传统方法是使用基于perl语言开发的Cache::memcached模块，这个模块在大多数perl代码中都能良好的工作，但也有着众所周知的性能方面的问题。libMemcached则是基于C语言开发的开源的C/C++代码访问memcached的库文件，同时，它还提供了数个可以远程使用的memcached管理工具，如memcat, memping，memstat，memslap等。

 

1) 编译安装libmemcached

 

# tar xf libmemcached-1.0.2.tar.gz 

# cd libmemcached-1.0.2

# ./configure 

# make && make install

# ldconfig

 

2) 客户端工具

# memcat --servers=127.0.0.1:11211 mykey

# memping 

# memslap

# memstat

 

 

七、Nginx整合memcached,为nginx提供静态页面缓存功能

虽然nginx自身可以提供缓存，不过由于该数据是缓存在磁盘上的，因此，性能赶不上memcached缓存性能。因此，我们也应当为nginx支持memecached功能，使其支持缓存静态页面功能。

server {

        listen       80;

        server_name  www.xsl.com;

 

        #charset koi8-r;

 

        #access_log  logs/host.access.log  main;

 

        location / {

                set $memcached_key $uri;       

                ##$memcached_key为键名，$uri为传递给memcached服务器的键            

                memcached_pass     192.168.108.199:11211;   memcached服务器的地址和端口

                default_type       text/html;只缓存html格式的数据

                error_page         404 @fallback;           

                ##如果memcached上没有相应的数据，将会在后端应用程序服务器上寻找。

        }

 

        location @fallback {

                proxy_pass http://127.0.0.1;   

                ##这里的地址指的是后端应用程序服务器的地址。

        }

}

 

六、Memcached管理与监控工具MemAdmin

MemAdmin是一款可视化的Memcached管理与监控工具，使用PHP开发，体积小，操作简单。

 

主要功能：

服务器参数监控：STATS、SETTINGS、ITEMS、SLABS、SIZES实时刷新

服务器性能监控：GET、DELETE、INCR、DECR、CAS等常用操作命中率实时监控

支持数据遍历，方便对存储内容进行监视

支持条件查询，筛选出满足条件的KEY或VALUE

数组、JSON等序列化字符反序列显示

兼容memcache协议的其他服务，如Tokyo Tyrant (遍历功能除外)

支持服务器连接池，多服务器管理切换方便简洁

 

安装MemAdmin

# tar  xf  memadmin-1.0.12.tar.gz

# mv   memadmin /usr/html/

 

测试访问，在浏览器上输入http://192.168.108.230/memadmin/，如果出现如下画面则表示连接正常：

默认用户名和密码都为"admin",登陆进去之后，显示如下画面：

 

然后点击"开始管理"，出现如下画面：

 

 

最后就可以根据需求管理自己的缓存服务器了。