分布式缓存系统Memcached入门指导

作者：James G. Goodwill 2009-11-09 09:25:24

数据库

分布式 这篇Memcached入门介绍涵盖的主题包括安装、配置、memcached 客户机命令和评估缓存效率，主要讨论与 memcached 服务器的直接交互，其目的是为您提供监控 memcahed 实例所需的工具。

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首先介绍一下，memcached 是由 Danga Interactive 开发并使用 BSD 许可的一种通用的分布式内存缓存系统（题外话：最近，Memcached 项目将从 http://danga.com/memcached/ 正式转向 http://memcached.org/）。这篇Memcached入门文章可以帮助读者建立起对Memcached使用与性能的认识。

 
Memcached示意图（来自memcached.org）

Danga Interactive 开发 memcached 的目的是创建一个内存缓存系统来处理其网站 LiveJournal.com 的巨大流量。每天超过 2000 万的页面访问量给 LiveJournal 的数据库施加了巨大的压力，因此 Danga 的 Brad Fitzpatrick 便着手设计了 memcached。memcached 不仅减少了网站数据库的负载，还成为如今世界上大多数高流量网站所使用的缓存解决方案。

本文首先全面概述 memcached，然后指导您安装 memcached 以及在开发环境中构建它。我还将介绍 memcached 客户机命令（总共有 9 个）并展示如何在标准和高级 memcached 操作中使用它们。最后，我将提供一些使用 memcached 命令测量缓存的性能和效率的技巧。

如何将 memcached 融入到您的环境中？

在开始安装和使用 using memcached 之前，我们需要了解如何将 memcached 融入到您的环境中。虽然在任何地方都可以使用 memcached，但我发现需要在数据库层中执行几个经常性查询时，memcached 往往能发挥最大的效用。我经常会在数据库和应用服务器之间设置一系列 memcached 实例，并采用一种简单的模式来读取和写入这些服务器。图 1 可以帮助您了解如何设置应用程序体系结构：

图 1. 使用 memcached 的示例应用程序体系结构

体系结构相当容易理解。我建立了一个 Web 层，其中包括一些 apache 实例。下一层是应用程序本身。这一层通常运行于 Apache Tomcat 或其他开源应用服务器之上。再下面一层是配置 memcached 实例的地方 — 即应用服务器与数据库服务器之间。在使用这种配置时，需要采用稍微不同的方式来执行数据库的读取和写入操作。

读取

我执行读取操作的顺序是从 Web 层获取请求（需要执行一次数据库查询）并检查之前在缓存中存储的查询结果。如果我找到所需的值，则返回它。如果未找到，则执行查询并将结果存储在缓存中，然后再将结果返回给 Web 层。

写入

将数据写入到数据库中时，首先需要执行数据库写入操作，然后将之前缓存的任何受此写入操作影响的结果设定为无效。此过程有助于防止缓存和数据库之间出现数据不一致性。

安装 memcached

memcached 支持一些操作系统，包括 Linux?、Windows?、Mac OS 和 Solaris。在本文中，我将详细介绍如何通过源文件构建和安装 memcached。采用这种方式的主要原因是我在遇到问题时可以查看源代码。

libevent

libevent 是安装 memcached 的唯一前提条件。它是 memcached 所依赖的异步事件通知库。您可以在 monkey.org 上找到关于 libevent 的源文件。接下来，找到其最新版本的源文件。对于本文，我们使用稳定的 1.4.11 版本。获取了归档文件之后，将它解压到一个方便的位置，然后执行清单 1 中的命令：

清单 1. 生成和安装 libevent

cd libevent-1.4.11-stable/

./configure
			
make
				
make install

memcached

从 Danga Interactive 获取 memcached 源文件，仍然选择最新的分发版。在撰写本文时，其最新版本是 1.4.0。将 tar.gz 解压到方便的位置，并执行清单 2 中的命令：

清单 2. 生成和安装 memcached

				
cd memcached-1.4.0/

./configure
			
make
				
make install

完成这些步骤之后，您应该安装了一个 memcached 工作副本，并且可以使用它了。让我们进行简单介绍，然后使用它。

使用 memcached

要开始使用 memcached，您首先需要启动 memcached 服务器，然后使用 telnet 客户机连接到它。

要启动 memcached，执行清单 3 中的命令：

清单 3. 启动 memcached

				
./memcached -d -m 2048 -l 10.0.0.40 -p 11211

这会以守护程序的形式启动 memcached（-d），为其分配 2GB 内存（-m 2048），并指定监听 localhost，即端口 11211。您可以根据需要修改这些值，但以上设置足以完成本文中的练习。接下来，您需要连接到 memcached。您将使用一个简单的 telnet 客户机连接到 memcached 服务器。

大多数操作系统都提供了内置的 telnet 客户机，但如果您使用的是基于 Windows 的操作系统，则需要下载第三方客户机。我推荐使用 PuTTy。

安装了 telnet 客户机之后，执行清单 4 中的命令：

清单 4. 连接到 memcached

				
telnet localhost 11211

如果一切正常，则应该得到一个 telnet 响应，它会指示 Connected to localhost（已经连接到 localhost）。如果未获得此响应，则应该返回之前的步骤并确保 libevent 和 memcached 的源文件都已成功生成。

您现现已经登录到 memcached 服务器。此后，您将能够通过一系列简单的命令来与 memcached 通信。9 个 memcached 客户端命令可以分为三类：

1. 基本
2. 高级
3. 管理

基本 memcached 客户机命令

您将使用五种基本 memcached 命令执行最简单的操作。这些命令和操作包括：

1. set
2. add
3. replace
4. get
5. delete

前三个命令是用于操作存储在 memcached 中的键值对的标准修改命令。它们都非常简单易用，且都使用清单 5 所示的语法：

清单 5. 修改命令语法

				
command 
       
        
         
          
           
          
         
        
       
      

表 1 定义了 memcached 修改命令的参数和用法。

表 1. memcached 修改命令参数

现在，我们来看看这些命令的实际使用。

set

set 命令用于向缓存添加新的键值对。如果键已经存在，则之前的值将被替换。

注意以下交互，它使用了 set 命令：

set userId 0 0 5
12345
STORED

如果使用 set 命令正确设定了键值对，服务器将使用单词 STORED 进行响应。本示例向缓存中添加了一个键值对，其键为 userId，其值为 12345。并将过期时间设置为 0，这将向 memcached 通知您希望将此值存储在缓存中直到删除它为止。

add

仅当缓存中不存在键时，add 命令才会向缓存中添加一个键值对。如果缓存中已经存在键，则之前的值将仍然保持相同，并且您将获得响应 NOT_STORED。

下面是使用 add 命令的标准交互：

set userId 0 0 5
12345
STORED

add userId 0 0 5
55555
NOT_STORED

add companyId 0 0 3
564
STORED

replace

仅当键已经存在时，replace 命令才会替换缓存中的键。如果缓存中不存在键，那么您将从 memcached 服务器接受到一条 NOT_STORED 响应。

下面是使用 replace 命令的标准交互：

replace accountId 0 0 5
67890
NOT_STORED

set accountId 0 0 5
67890
STORED

replace accountId 0 0 5
55555
STORED

最后两个基本命令是 get 和 delete。这些命令相当容易理解，并且使用了类似的语法，如下所示：

command 
      

      

接下来看这些命令的应用。

get

get 命令用于检索与之前添加的键值对相关的值。您将使用 get 执行大多数检索操作。

下面是使用 get 命令的典型交互：

set userId 0 0 5
12345
STORED

get userId
VALUE userId 0 5
12345
END

get bob
END

如您所见，get 命令相当简单。您使用一个键来调用 get，如果这个键存在于缓存中，则返回相应的值。如果不存在，则不返回任何内容。

delete

最后一个基本命令是 delete。delete 命令用于删除 memcached 中的任何现有值。您将使用一个键调用 delete，如果该键存在于缓存中，则删除该值。如果不存在，则返回一条 NOT_FOUND 消息。

下面是使用 delete 命令的客户机服务器交互：

set userId 0 0 5
98765
STORED

delete bob
NOT_FOUND

delete userId
DELETED

get userId
END

高级 memcached 客户机命令

可以在 memcached 中使用的两个高级命令是 gets 和 cas。gets 和 cas 命令需要结合使用。您将使用这两个命令来确保不会将现有的名称/值对设置为新值（如果该值已经更新过）。我们来分别看看这些命令。

gets

gets 命令的功能类似于基本的 get 命令。两个命令之间的差异在于，gets 返回的信息稍微多一些：64 位的整型值非常像名称/值对的 “版本” 标识符。

下面是使用 gets 命令的客户机服务器交互：

set userId 0 0 5
12345
STORED

get userId
VALUE userId 0 5
12345
END

gets userId
VALUE userId 0 5 4
12345
END

考虑 get 和 gets 命令之间的差异。gets 命令将返回一个额外的值 — 在本例中是整型值 4，用于标识名称/值对。如果对此名称/值对执行另一个 set 命令，则 gets 返回的额外值将会发生更改，以表明名称/值对已经被更新。清单 6 显示了一个例子：

清单 6. set 更新版本指示符

				
set userId 0 0 5
33333
STORED

gets userId
VALUE userId 0 5 5
33333
END

您看到 gets 返回的值了吗？它已经更新为 5。您每次修改名称/值对时，该值都会发生更改。

cas

cas（check 和 set）是一个非常便捷的 memcached 命令，用于设置名称/值对的值（如果该名称/值对在您上次执行 gets 后没有更新过）。它使用与 set 命令相类似的语法，但包括一个额外的值：gets 返回的额外值。

注意以下使用 cas 命令的交互：

set userId 0 0 5
55555
STORED

gets userId
VALUE userId 0 5 6
55555
END

cas userId 0 0 5 6
33333
STORED

如您所见，我使用额外的整型值 6 来调用 gets 命令，并且操作运行非常顺序。现在，我们来看看清单 7 中的一系列命令：

清单 7. 使用旧版本指示符的 cas 命令

				
set userId 0 0 5
55555
STORED

gets userId
VALUE userId 0 5 8
55555
END

cas userId 0 0 5 6
33333
EXISTS

注意，我并未使用 gets 最近返回的整型值，并且 cas 命令返回 EXISTS 值以示失败。从本质上说，同时使用 gets 和 cas 命令可以防止您使用自上次读取后经过更新的名称/值对。

缓存管理命令

最后两个 memcached 命令用于监控和清理 memcached 实例。它们是 stats 和 flush_all 命令。

stats

stats 命令的功能正如其名：转储所连接的 memcached 实例的当前统计数据。在下例中，执行 stats 命令显示了关于当前 memcached 实例的信息：

stats
STAT pid 63
STAT uptime 101758
STAT time 1248643186
STAT version 1.4.11
STAT pointer_size 32
STAT rusage_user 1.177192
STAT rusage_system 2.365370
STAT curr_items 2
STAT total_items 8
STAT bytes 119
STAT curr_connections 6
STAT total_connections 7
STAT connection_structures 7
STAT cmd_get 12
STAT cmd_set 12
STAT get_hits 12
STAT get_misses 0
STAT evictions 0
STAT bytes_read 471
STAT bytes_written 535
STAT limit_maxbytes 67108864
STAT threads 4
END

此处的大多数输出都非常容易理解。稍后在讨论缓存性能时，我还将详细解释这些值的含义。至于目前，我们先来看看输出，然后再使用新的键来运行一些 set 命令，并再次运行 stats 命令，注意发生了哪些变化。

flush_all

flush_all 是最后一个要介绍的命令。这个最简单的命令仅用于清理缓存中的所有名称/值对。如果您需要将缓存重置到干净的状态，则 flush_all 能提供很大的用处。下面是一个使用 flush_all 的例子：

set userId 0 0 5
55555
STORED

get userId
VALUE userId 0 5
55555
END

flush_all
OK

get userId
END

缓存性能

在本文的最后，我将讨论如何使用高级 memcached 命令来确定缓存的性能。stats 命令用于调优缓存的使用。需要注意的两个最重要的统计数据是 et_hits 和 get_misses。这两个值分别指示找到名称/值对的次数（get_hits）和未找到名称/值对的次数（get_misses）。

结合这些值，我们可以确定缓存的利用率如何。初次启动缓存时，可以看到 get_misses 会自然地增加，但在经过一定的使用量之后，这些 get_misses 值应该会逐渐趋于平稳 — 这表示缓存主要用于常见的读取操作。如果您看到 get_misses 继续快速增加，而 get_hits 逐渐趋于平稳，则需要确定一下所缓存的内容是什么。您可能缓存了错误的内容。

确定缓存效率的另一种方法是查看缓存的命中率（hit ratio）。缓存命中率表示执行 get 的次数与错过 get 的次数的百分比。要确定这个百分比，需要再次运行 stats 命令，如清单 8 所示：

清单 8. 计算缓存命中率

				
stats
STAT pid 6825
STAT uptime 540692
STAT time 1249252262
STAT version 1.2.6
STAT pointer_size 32
STAT rusage_user 0.056003
STAT rusage_system 0.180011
STAT curr_items 595
STAT total_items 961
STAT bytes 4587415
STAT curr_connections 3
STAT total_connections 22
STAT connection_structures 4
STAT cmd_get 2688
STAT cmd_set 961
STAT get_hits 1908
STAT get_misses 780
STAT evictions 0
STAT bytes_read 5770762
STAT bytes_written 7421373
STAT limit_maxbytes 536870912
STAT threads 1
END

现在，用 get_hits 的数值除以 cmd_gets。在本例中，您的命中率大约是 71%。在理想情况下，您可能希望得到更高的百分比 — 比率越高越好。查看统计数据并不时测量它们可以很好地判定缓存策略的效率。

结束语

缓存是任何海量 Web 应用程序不可或缺的部分。我自己成功使用过它好几次。如果您选择使用 memcached 作为缓存解决方案，那么我敢保证您可以看到它的效率如何。

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