应用场景分析:

       如原来MEMCACHED中的KES的内容为A,客户端C1和客户端C2都把A取了出来,C1往准备往其中加B,C2准备往其中加C,这就会造成C1和C2执行后的CACHE KEYS要么是AB要么是AC,而不会出现我们期望的ABC。这种情况,如果不是在集群环境中,而只是单机服务器,可以通过在写CACHE KEYS时增加同步锁,就可以解决问题,可是在集群环境中,同步锁是显然解决不了问题的。

memcached是原子的吗?宏观

         所有的被发送到memcached的单个命令是完全原子的。如果您针对同一份数据同时发送了一个set命令和一个get命令,它们不会影响对方。它们将被串行化、先后执行。即使在多线程模式,所有的命令都是原子的;命令序列不是原子的。如果您通过get命令获取了一个item,修改了它,然后想把它set回memcached,我们不保证这个item没有被其他进程(process,未必是操作系统中的进程)操作过。在并发的情况下,您也可能覆写了一个被其他进程set的item。

memcached 1.2.5以及更高版本,提供了gets和cas命令,它们可以解决上面的问题。如果您使用gets命令查询某个key的item,memcached会 给您返回该item当前值的唯一标识。如果您覆写了这个item并想把它写回到memcached中,您可以通过cas命令把那个唯一标识一起发送给 memcached。如果该item存放在memcached中的唯一标识与您提供的一致,您的写操作将会成功。如果另一个进程在这期间也修改了这个 item,那么该item存放在memcached中的唯一标识将会改变,您的写操作就会失败。

微观分析

 memcache为了避免一些竞争,加入了一些特殊原子操作:add cas incr decr

"add" means "store this data, but only if the server *doesn't* already;

“cas” is a check and set operation which means “store this data but only if no one else has updated since I last fetched it.” ;

它们的实现原理基于CAS(check and save)模式:

下面是一个全新的CAS模式实现:

     1.预先在memcached中设置一个key值,假设为CREATKEY=1

     2.每次创建活动时,在规则校验前先get出CREATEKEY=x;

     3.进行规则校验

     4.执行incr CREATEKEY操作,检验返回值是否为所期望的x+1,如果不是,则说明在此期间有另外的进程执行了incr操作,即存在并发,放弃更新。否则

     5.执行创建活动

memcached保存的key value都有一个唯一标识casUnique,在进行incr decr操作时,首先获取casUnique,执行incr,检验返回值是否casUnique+1,如果是,则更新,否则,失败不更新!

尽管这种设计在处理并发时还存在缺陷,但可以通过简单的重试来解决问题!

接口分析:

返回MemcachedItem对象:

 public MemcachedItem gets(String key) {

               return client.gets(key);

          }

 public MemcachedItem gets(String key, Integer hashCode) {

                   return gets(OPCODE_GET, key, hashCode, false);

         }

普通的get方法,返回Value对象

 public Object get(String key) {

              return client.get(key);

         }

casUnique:是唯一标识

        public boolean cas(String key, Object value, long casUnique) {

             return client.cas(key, value, casUnique);

        }

 public boolean cas(String key, Object value, long casUnique) {

               return set(OPCODE_SET, key, value, null, null, casUnique, primitiveAsString);

          }

MemcachedItem类结构:

public final class MemcachedItem {

              public long casUnique;

               public Object value;

}

其它约束:

32位无符号整数

 下面一片文章是对memcache add原子性实际应用的使用:

引子

 

一个使用缓存进行并发控制的讨论,让我学习到成本与收益间的平衡,以及何为真正的可用性......

防止并发有多种方式,本文只涉及使用缓存memcached控制。

并发场景:

     用例:SNS系统中具有高级会员资格的人发起活动。

     业务规则:1.一个人同时只能创建一个活动。2.具有高级会员资格。

     基本流程如下:

 

memcached 原子性操作 CAS模式_缓存

 

这个流程中存在明显的并发问题,当进程A校验过会员M有资格,并且为创建过活动,但为开始执行创建操作,此时另一个进程B也进行了规则判断,顺利通过,并完成创建操作,此时A继续执行,则会产生两条M的活动。(这个并发场景很简单,很普遍)

最初的解决方案:

     计划利用memcached的add操作的原子性来控制并发,具体方式如下:

     1.申请锁:在校验是否创建过活动前,执行add操作key为memberId,如果add操作失败,则表示有另外的进程在并发的为该memberId创建活动,返回创建失败。否则表示无并发

     2.执行创建活动

     3.释放锁:创建活动完成后,执行delete操作,删除该memberId。

问题:

     如此实现存在一些问题:

     1.memcached中存放的值有有效期,即过期后自动失效,如add过M1后,M1失效,可以在此add成功

     2.即使通过配置,可以使memcached永久有效,即不设有效期,memcached有容量限制,当容量不够后会进行自动替换,即有可能add过M1后,M1被其他key值置换掉,则再次add可以成功。

     3.此外,memcached是基于内存的,掉电后数据会全部丢失,导致重启后所有memberId均可重新add。

应对问题:

     针对上述的几个问题,根本原因是add操作有时效性,过期,被替换,重启,都会是原来的add操作失效。解决该问题有两个方法:

     1.采用持久化的缓存解决方法,如TT(Tokyo Tyrant:http://fallabs.com/tokyotyrant/)

     2.减轻时效性的影响,使用memcached CAS(check and set)方式。

     第一种不必解释了,很简单,原来的所有问题都是时效性惹得祸,时效性源于memcached是基于内存的,那么采用持久话存储的TT可以彻底根治这个问题。

     第二种方式需要简单介绍下:

     memcached中除了add操作是原子的,还有另外两个操作也是原子的:incr和decr,使用CAS模式即:

     1.预先在memcached中设置一个key值,假设为CREATKEY=1

     2.每次创建活动时,在规则校验前先get出CREATEKEY=x;

     3.进行规则校验

     4.执行incr CREATEKEY操作,检验返回值是否为所期望的x+1,如果不是,则说明在此期间有另外的进程执行了incr操作,即存在并发,放弃更新。否则

     5.执行创建活动

     对比这两种方法,从效果上看可以发现第一种时100%可靠的,不存在问题;第二种,可能存在误判,即本来不存在并发,却被判为并发,如缓存重启,或key值失效后,incr值可能不同于期望值,导致误判。

     但是从成本上考虑,TT是持久化的缓存解决方案,完美意味着高成本,我们必须维护持久化数据,而使用memcached的CAS方式,可以以几乎0成本的方式解决时效性问题,尽管存在一点小缺陷,但这种缺陷可以通过简单的重试即可解决。考虑实际的产出比,采用memcached的CAS方式更适合实际情况。

     成本与收益间的平衡,做科学与做工程的区别~