原始鏈接http://tech.idv2.com/2008/07/16/memcached-003/
下面是《memcached全面剖析》的第三部分。
發表日:2008/7/16
作者:前阪徹(Toru Maesaka)
原文鏈接:http://gihyo.jp/dev/feature/01/memcached/0003
memcached是緩存,所以數據不會永久保存在服務器上,這是向系統中引入memcached的前提。本次介紹memcached的數據刪除機制,以及memcached的最新發展方向——二進制協議(Binary Protocol)和外部引擎支持。
memcached在數據刪除方面有效利用資源
數據不會真正從memcached中消失
上次介紹過,memcached不會釋放已分配的內存。記錄超時後,客戶端就無法再看見該記錄(invisible,透明),其存儲空間即可重複使用。
Lazy Expiration
memcached內部不會監視記錄是否過期,而是在get時查看記錄的時間戳,檢查記錄是否過期。這種技術被稱爲lazy(惰性)expiration。因此,memcached不會在過期監視上耗費CPU時間。
LRU:從緩存中有效刪除數據的原理
memcached會優先使用已超時的記錄的空間,但即使如此,也會發生追加新記錄時空間不足的情況,此時就要使用名爲 Least Recently Used(LRU)機制來分配空間。顧名思義,這是刪除“最近最少使用”的記錄的機制。因此,當memcached的內存空間不足時(無法從slab class獲取到新的空間時),就從最近未被使用的記錄中搜索,並將其空間分配給新的記錄。從緩存的實用角度來看,該模型十分理想。
不過,有些情況下LRU機制反倒會造成麻煩。memcached啓動時通過“-M”參數可以禁止LRU,如下所示:
$ memcached -M -m 1024
啓動時必須注意的是,小寫的“-m”選項是用來指定最大內存大小的。不指定具體數值則使用默認值64MB。
指定“-M”參數啓動後,內存用盡時memcached會返回錯誤。話說回來,memcached畢竟不是存儲器,而是緩存,所以推薦使用LRU。
memcached的最新發展方向
memcached的roadmap上有兩個大的目標。一個是二進制協議的策劃和實現,另一個是外部引擎的加載功能。
關於二進制協議
使用二進制協議的理由是它不需要文本協議的解析處理,使得原本高速的memcached的性能更上一層樓,還能減少文本協議的漏洞。目前已大部分實現,開發用的代碼庫中已包含了該功能。memcached的下載頁面上有代碼庫的鏈接。
二進制協議的格式
協議的包爲24字節的幀,其後面是鍵和無結構數據(Unstructured Data)。實際的格式如下(引自協議文檔):
Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 | / | | | | |0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7| +---------------+---------------+---------------+---------------+ 0/ HEADER / / / / / / / +---------------+---------------+---------------+---------------+ 24/ COMMAND-SPECIFIC EXTRAS (as needed) / +/ (note length in th extras length header field) / +---------------+---------------+---------------+---------------+ m/ Key (as needed) / +/ (note length in key length header field) / +---------------+---------------+---------------+---------------+ n/ Value (as needed) / +/ (note length is total body length header field, minus / +/ sum of the extras and key length body fields) / +---------------+---------------+---------------+---------------+ Total 24 bytes
如上所示,包格式十分簡單。需要注意的是,佔據了16字節的頭部(HEADER)分爲請求頭(Request Header)和響應頭(Response Header)兩種。頭部中包含了表示包的有效性的Magic字節、命令種類、鍵長度、值長度等信息,格式如下:
Request Header Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 | / | | | | |0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7| +---------------+---------------+---------------+---------------+ 0| Magic | Opcode | Key length | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 4| Extras length | Data type | Reserved | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 8| Total body length | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 12| Opaque | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 16| CAS | | | +---------------+---------------+---------------+---------------+
Response Header Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 | / | | | | |0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7| +---------------+---------------+---------------+---------------+ 0| Magic | Opcode | Key Length | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 4| Extras length | Data type | Status | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 8| Total body length | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 12| Opaque | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 16| CAS | | | +---------------+---------------+---------------+---------------+
如希望瞭解各個部分的詳細內容,可以checkout出memcached的二進制協議的代碼樹,參考其中的docs文件夾中的protocol_binary.txt文檔。
HEADER中引人注目的地方
看到HEADER格式後我的感想是,鍵的上限太大了!現在的memcached規格中,鍵長度最大爲250字節,但二進制協議中鍵的大小用2字節表示。因此,理論上最大可使用65536字節(2<sup>16</sup>)長的鍵。儘管250字節以上的鍵並不會太常用,二進制協議發佈之後就可以使用巨大的鍵了。
二進制協議從下一版本1.3系列開始支持。
外部引擎支持
我去年曾經試驗性地將memcached的存儲層改造成了可擴展的(pluggable)。
MySQL的Brian Aker看到這個改造之後,就將代碼發到了memcached的郵件列表。memcached的開發者也十分感興趣,就放到了roadmap中。現在由我和memcached的開發者Trond Norbye協同開發(規格設計、實現和測試)。和國外協同開發時時差是個大問題,但抱着相同的願景,最後終於可以將可擴展架構的原型公佈了。代碼庫可以從memcached的下載頁面上訪問。
外部引擎支持的必要性
世界上有許多memcached的派生軟件,其理由是希望永久保存數據、實現數據冗餘等,即使犧牲一些性能也在所不惜。我在開發memcached之前,在mixi的研發部也曾經考慮過重新發明memcached。
外部引擎的加載機制能封裝memcached的網絡功能、事件處理等複雜的處理。因此,現階段通過強制手段或重新設計等方式使memcached和存儲引擎合作的困難就會煙消雲散,嘗試各種引擎就會變得輕而易舉了。
簡單API設計的成功的關鍵
該項目中我們最重視的是API設計。函數過多,會使引擎開發者感到麻煩;過於複雜,實現引擎的門檻就會過高。因此,最初版本的接口函數只有13個。具體內容限於篇幅,這裏就省略了,僅說明一下引擎應當完成的操作:
- 引擎信息(版本等)
- 引擎初始化
- 引擎關閉
- 引擎的統計信息
- 在容量方面,測試給定記錄能否保存
- 爲item(記錄)結構分配內存
- 釋放item(記錄)的內存
- 刪除記錄
- 保存記錄
- 回收記錄
- 更新記錄的時間戳
- 數學運算處理
- 數據的flush
對詳細規格有興趣的讀者,可以checkout engine項目的代碼,閱讀器中的engine.h。
重新審視現在的體系
memcached支持外部存儲的難點是,網絡和事件處理相關的代碼(核心服務器)與內存存儲的代碼緊密關聯。這種現象也稱爲tightly coupled(緊密耦合)。必須將內存存儲的代碼從核心服務器中獨立出來,才能靈活地支持外部引擎。因此,基於我們設計的API,memcached被重構成下面的樣子:
重構之後,我們與1.2.5版、二進制協議支持版等進行了性能對比,證實了它不會造成性能影響。
在考慮如何支持外部引擎加載時,讓memcached進行並行控制(concurrency control)的方案是最爲容易的,但是對於引擎而言,並行控制正是性能的真諦,因此我們採用了將多線程支持完全交給引擎的設計方案。
以後的改進,會使得memcached的應用範圍更爲廣泛。
總結
本次介紹了memcached的超時原理、內部如何刪除數據等,在此之上又介紹了二進制協議和外部引擎支持等memcached的最新發展方向。這些功能要到1.3版纔會支持,敬請期待!
這是我在本連載中的最後一篇。感謝大家閱讀我的文章!
下次由長野來介紹memcached的應用知識和應用程序兼容性等內容。