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:

memcached缓存服务器简介及其应用_memcached

 

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:

memcached缓存服务器简介及其应用_缓存服务器_02

 

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:

memcached缓存服务器简介及其应用_php_03

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。

memcached缓存服务器简介及其应用_缓存服务器_04

 

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:

memcached缓存服务器简介及其应用_memcached_05

默认用户名和密码都为"admin",登陆进去之后,显示如下画面:

memcached缓存服务器简介及其应用_memcached_06

 

然后点击"开始管理",出现如下画面:

memcached缓存服务器简介及其应用_memcached_07

 

 

最后就可以根据需求管理自己的缓存服务器了。