memcached全面剖析--3.memcached的删除机制和发展方向

20160108
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memcached是缓存,所以数据不会永久保存在服务器上,这是向系统中引入memcached的前提。
本次介绍memcached的数据删除机制,以及memcached的最新发展方向——二进制协议(Binary Protocol) 和外部引擎支持。

memcached在数据删除方面有效利用资源

数据不会真正从memcached中消失

memcached不会释放已分配的内存。记录超时后,客户端就无法再看见该记录(invisible,透明),
其存储空间即可重复使用。

Lazy Expiration

memcached内部不会监视记录是否过期,而是在get时查看记录的时间戳,检查记录是否过期。
这种技术被称为lazy(惰性)expiration。因此,memcached不会在过期监视上耗费CPU时间。

LRU:从缓存中有效删除数据的原理

memcached会优先使用已超时的记录的空间,但即使如此,也会发生追加新记录时空间不足的情况,
此时就要使用名为 Least Recently Used(LRU)机制来分配空间。 顾名思义,这是删除“最近最少使用”的记录的机制。 因此,当memcached的内存空间不足时(无法从slab class 获取到新的空间时),就从最近未被使用的记录中搜索,并将其空间分配给新的记录。 从缓存的实用角度来看,该模型十分理想。

不过,有些情况下LRU机制反倒会造成麻烦。memcached启动时通过“-M”参数可以禁止LRU,如下所示:


$ memcached -M -m 1024
启动时必须注意的是,小写的“-m”选项是用来指定最大内存大小的。不指定具体数值则使用默认值64MB。
指定“-M”参数启动后,内存用尽时memcached会返回错误。 话说回来,memcached毕竟不是存储器,而是缓存,所以推荐使用LRU。

memcached的最新发展方向

memcached的roadmap上有两个大的目标。一个是二进制协议的策划和实现,另一个是外部引擎的加载功能。

关于二进制协议

使用二进制协议的理由是它不需要文本协议的解析处理,使得原本高速的memcached的性能更上一层楼, 还能减少文本协议的漏洞。目前已大部分实现,开发用的代码库中已包含了该功能。 memcached的下载页面上有代码库的链接。

二进制协议的格式

协议的包为24字节的帧,其后面是键和无结构数据(Unstructured Data)。 实际的格式如下(引自协议文档):

 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,包格式十分简单。需要注意的是,占据了16字节的头部(HEADER)分为 请求头(Request Header)和响应头(Response Header)两种。 头部中包含了表示包的有效性的Magic字节、命令种类、键长度、值长度等信息,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                                                           |
   |                                                               |
   +---------------+---------------+---------------+---------------+
如希望了解各个部分的详细内容,可以checkout出memcached的二进制协议的代码树, 参考其中的docs文件夹中的protocol_binary.txt文档。

HEADER中引人注目的地方

看到HEADER格式后我的感想是,键的上限太大了!现在的memcached规格中,键长度最大为250字节, 但二进制协议中键的大小用2字节表示。因此,理论上最大可使用65536字节(216)长的键。 尽管250字节以上的键并不会太常用,二进制协议发布之后就可以使用巨大的键了。

重新审视现在的体系

memcached支持外部存储的难点是,网络和事件处理相关的代码(核心服务器)与
内存存储的代码紧密关联。这种现象也称为tightly coupled(紧密耦合)。 必须将内存存储的代码从核心服务器中独立出来,才能灵活地支持外部引擎。 因此,基于我们设计的API,memcached被重构成下面的样子: