memcached全面剖析–3.memcached的刪除機制和發展方向

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下面是《memcached全面剖析》的第三部分。

memcached是緩存，因此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，客戶端就沒法再看見該記錄（invisible，透明）， 其存儲空間便可重複使用。

Lazy Expiration

memcached內部不會監視記錄是否過時，而是在get時查看記錄的時間戳，檢查記錄是否過時。 這種技術被稱爲lazy（惰性）expiration。所以，memcached不會在過時監視上耗費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，但即便如此，也會發生追加新記錄時空間不足的狀況， 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。 所以，當memcached的內存空間不足時（沒法從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，有些狀況下LRU機制反倒會形成麻煩。memcached啓動時經過「-M」參數能夠禁止LRU，以下所示：

$ 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，因此推薦使用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，另外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須要文本協議的解析處理，使得本來高速的memcached的性能更上一層樓， 還能減小文本協議的漏洞。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連接。

• http://danga.com/memcached/download.bml

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）。 實際的格式以下（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。須要注意的是，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，格式以下：

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                                                           |
   |                                                               |
   +---------------+---------------+---------------+---------------+

如但願瞭解各個部分的詳細內容，能夠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格式後個人感想是，鍵的上限太大了！如今的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。所以，理論上最大可以使用65536字節（2¹⁶）長的鍵。 儘管250字節以上的鍵並不會太經常使用，二進制協議發佈以後就可使用巨大的鍵了。

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的存儲層改形成了可擴展的（pluggable）。

• http://alpha.mixi.co.jp/blog/?p=129

MySQL的Brian Aker看到這個改造以後，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。如今由我和 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， 最後終於能夠將可擴展架構的原型公佈了。 代碼庫能夠從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，其理由是但願永久保存數據、實現數據冗餘等， 即便犧牲一些性能也在所不惜。我在開發memcached以前，在mixi的研發部也曾經 考慮太重新發明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。 所以，現階段經過強制手段或從新設計等方式使memcached和存儲引擎合做的困難 就會煙消雲散，嘗試各類引擎就會變得垂手可得了。

簡單API設計的成功的關鍵

該項目中咱們最重視的是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太高。所以，最第一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做：

• 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，測試給定記錄可否保存
• 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，能夠checkout engine項目的代碼，閱讀器中的engine.h。

從新審視如今的體系

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。 所以，基於咱們設計的API，memcached被重構成下面的樣子：

重構以後，咱們與1.2.5版、二進制協議支持版等進行了性能對比，證明了它不會形成性能影響。

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， 可是對於引擎而言，並行控制正是性能的真諦，所以咱們採用了將多線程支持徹底交給引擎的設計方案。

之後的改進，會使得memcached的應用範圍更爲普遍。

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！