一. 为什么使用缓存
如图1，为了快速应对早期的业务快速发展，我们架设一个超级简单的Web服务，只有一台应用服务器和DB，这种架构简单，便于快速开发和部署。但随着应用服务器的QPS不断增长，水涨船高，DB的QPS也逐渐提升，对DB的响应时间也有很高要求，单DB已无法快速满足业务发展。这时候可以考虑对DB进行分库分表，或者读写分离等方式以满足业务的发展。但是这些方式仍然有很多问题：
- 性能提升有限，很难达到数量级上的提升，至于原因，我将再写一篇文章论述。如果业务发展迅速，访问量将会指数上升，仅仅依赖DB对于响应时间的降低帮助不大。
- 成本高昂，为了应对N倍访问量，需要增加N倍DB服务器，成本难以接受。
-
DB为了数据高可靠，牺牲性能，具体表现为数据是存储到硬盘中，而不是内存，这样即使DB重启保证数据不会丢失。所以访问DB常常要从硬盘读取数据，从图2可以看出硬盘的读取时间远远大于内存的。
图1 最简单的Web架构
图2 服务器不同级别的访问时间
在大部分业务场景下，数据的读取符合二八原则，即80%的访问量是落到20%的热点数据上，假设我们把这20%热点数据通过内存保存起来，在访问这20%数据时先访问保存的内存地方，这就是缓存。这将极大提升数据读取速度，最终降低请求的响应时间，提高QPS。为了解决上面提出的问题，引入缓存组件，将热点数据缓存到内存中，架构图如图3所示。应用服务器读取数据的顺序为：
- 第一步，从缓存读取数据，如果有数据，直接返回数据;
- 第二步，从DB读取数据，保存到缓存，返回数据。
因此，Web架构引入缓存后：
- 提升数据读取速度，降低请求响应时间，承受更多的请求量；
- 提升系统扩展能力，缓存的内存空间不足，可以横向扩展缓存组件，提升系统承载能力；
-
降低存储成本，Cache+DB承受更多请求量，大大减少原有需要承受这么多请求量的DB服务器。
图3 引入缓存的简单Web架构
二. 缓存分类
选择缓存作为Web架构的数据读取组件后，下一步根据业务场景选择具体的缓存组件，从缓存数据分布的特点对比表如下。
- 本地缓存如果使用在数据变化率高的场景，即无明显高频次的数据读取，缓存数据使用内存越多，挪用Web应用的内存资源就越多，反而降低应用的性能；
- 伸缩性差表现在无法横向扩展本地缓存，并且如果要清除缓存内容，只能逐台服务器清除，达不到分布式缓存的一次性清除缓存的效果。
| 使用场景 | 优点 | 缺点 | 代表例子 | |
|---|---|---|---|---|
| 本地缓存 | 数据变化率较低 | 存储任意数据，无网络存取延迟，数据查询更快 | 占用应用系统资源，容量和伸缩性差 | HashMap、GuavaCache、OSCache、JCache、Ehcache |
| 分布式缓存 | 数据变化率较高 | 容量和伸缩性好 | 网络开销大，响应时间长 | MC、Redis、Tair |
从数据存储方式看，对比表如下。
- 内存模式要考虑重启机器内存数据丢失，运维复杂度也很高，但是相对于磁盘持久化模式而言，少了维护数据持久化到硬盘的功能，所以运维复杂度相对较低。
| 特点 | 运维复杂度 | 代表例子 | |
|---|---|---|---|
| 内存模式 | 所有数据内存Cache | 相对较低 | Memcached |
| 磁盘持久化模式 | 热点数据内存Cache，非热点数据磁盘存储 | 高 | Redis、Tair |
三. Memcached特性
Memcached作为一款经典的缓存组件，具备极高的读取性能，下面将从四个特性分析Memcached的高性能。
- 协议简单
- Memcached支持文本和二进制协议；
- 文本协议调试简单，内容可视化；
- 二进制性能高效，且相对文本协议安全性高。
- 基于libevent的事件处理
- 使用IO多路复用的IO模型，Linux系统下使用epoll处理数据读写，具备极高的IO性能。
- 内置内存存储方式
- 所有数据存放在内存，相对于Linux提供的malloc/free产生的内存碎片，Memcached独特的内存存储方式可以避免内存碎片，提高内存利用率和性能。
- 因为数据存储在内存中，所以重启Memcached和操作系统，数据将全部丢失。
- Memcached互不通信的分布式
- Memcached实际上不是一个真正的分布式服务器，集群的各个Memcached服务器不互相通信以共享数据，分布式特性通过客户端实现。实际上这也避免分布式集群特有的问题：脑裂。
Memcached协议和基于libevent的事件处理都不是Memcached特有的特性，所以本文重点分享Memcached内置内存存储方式和不互相通信的分布式的特性。
四. Slab Allocation
传统的内存分配是通过malloc/free实现，易产生内存碎片，加重操作系统内存管理器的负担。Memcached使用Slab Allocation机制高效管理内存，Slab Allocation机制按照一个特定的增长比例，将分配的内存分割成特定长度的块，完全解决内存碎片问题。
Slab Allocation将内存分割成不同Slab Class，把相同尺寸的块（Chunk）组成组（Slab），如图4所示。Slab Allocation重复使用已分配的内存块，覆盖原有内存块的数据。
图4 Slab Class
首先介绍Slab Allocation的概念：
- Page：操作系统的内存页，分配给Slab的内存空间，默认1MB；
- Chunk：用于缓存记录的内存空间，不同Slab的Chunk大小通过一个特定增长比例逐渐增大；
- Slab：特定大小的Chunk的组，同一个Page分割成相同大小的Chunk，组成一个Slab。
Memcached根据数据大小选择最合适的Slab，如图5所示，100 bytes items选择112 bytes的Slab Chunk存储数据，内存空间利用率最高，其中items包含缓存数据的key/value等，具体请查看拙作[Memcached] Slab Allocation的MC项占用空间分析及实践。
图5 数据选择最合适的Slab
图5引出Slab Allocation的一个缺点：内存空间有浪费。112的Chunk存放100 bytes数据，有12 bytes空间浪费。通过下面公式可以计算图5的期望内存利用率，对我们启示作用请查看拙作[Memcached] 为什么MC达到90%的内存利用率时开始踢出数据？
(88+112)/2/112=89% 112 bytes的Chunk存放的期望大小是(88+112)/2，所以期望内存利用率是89%，其他同理。
(112+144)/2/144=89%
(144+184)/2/184=89%
...
不同Chunk size递增通过Growth Factor控制，Memcached启动可以指定Growth Factor，默认是1.25。图6和图7的Growth Factor分别是2和1.25，有趣的是两者的起始Chunk size都是96B，原因请查看拙作[Memcached] 初始Chunk size计算。
如下，根据不同Growth Factor推出期望内存利用率，当真实内存利用率达到期望内存利用率，警惕Memcached踢出数据，例子[Memcached] 为什么MC达到90%的内存利用率时开始踢出数据？
Growth Factor=2 : (n+2*n)/2/2n=75%
Growth Factor=1.25 : (n+1.25*n)/2/1.25n=90%
Growth Factor=gf : (n+gf*n)/2/(gf*n)=(1+gf)/2gf
图6 Growth Factor=2的Slab Alloaction
图7 Growth Factor=1.25的Slab Alloaction
五. Memcached删除机制
- 数据不会真正从Memcached消失
- Memcached不会主动释放已分配的内存，记录超时后，客户端get该记录，Memcached不会返回该记录，并标志该记录过期失效，此时内存空间可重复使用。
- Lazy Expiration
- Memcached内部不会监视记录是否过期，而是客户端get时查看记录的时间戳，检查记录是否过期，如果过期，标志为过期，下次存放新记录优先使用过期记录占用的内存，这种技术就是Lazy Expiration，Memcached不会在过期监控上耗费CPU资源。
- LRU: Least Recently Used
- 从缓存中有效删除数据原理。Memcached优先使用记录已超时和未使用的内存空间，但是在追加新记录时如果没有记录已超时和未使用的内存空间，此时使用Least Recently Used（LRU）机制分配空间。顾名思义，就是删除”最近最少使用“的记录的机制。当Memcached内存空间不足（无法从Slab获取Chunk）时，就删除”最近最少使用“的记录，将其内存空间分配给新记录存放。从缓存使用角度，该模型非常理想。如果想关闭LRU机制，启动Memcached指定-M参数即可。
- Slab 钙化
- 请参考拙作[Memcached] Slab钙化问题
六. Memcached保存记录过程
图8为Memcached保存item流程图，具体步骤为：
- 第一步，从LRU队列寻找过期item，这里的LRU队列是相同Slab一个队列，而不是全局统一，过期item标记方法通过Lazy Expiration实现，如果有过期的item，使用新item替换过期item，结束；
- 第二步，如果没有过期item，查看是否有合适空闲的Chunk，如果有，保存新item到空闲Chunk，结束；
- 第三步，如果没有合适空闲的Chunk，尝试初始化一个新同等Chunk size的Slab，检查内存是否足够，如果够，分配内存创建Slab和Chunk，并使用Chunk存放新item，结束；
- 第四步，如果内存不够，从LRU队列淘汰最近最少使用的item，然后用这个Chunk存放新item，结束。注意这一步将导致非过期LRU数据丢失。
图8 Memcached保存记录过程
七. Memcached内存储存学习启示
- 尽量避免缓存大对象，大对象降低内存利用率和命中率
- 缓存/节点失效后大量请求涌向数据库，容易造成雪崩
- 利用组件在预警时间之后失效时间之间访问缓存，主动刷新缓存
- 关键业务数据不要放MC，LRU机制导致缓存数据删除，影响业务
八. Memcached不互相通信的分布式特征
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，由客户端的实现访问Memcached集群。如图9，应用程序通过MC客户端程序库访问MC集群，MC客户端程序库根据Hash算法从服务器列表选择一台MC服务器存放数据，各个MC之间不共享数据，也就没有脑裂问题。
图9 应用程序通过MC客户端程序库访问MC集群
九. 一致性Hash算法
MC客户端程序库根据普通的Hash取余算法选择MC服务器存放数据，如果移除或者新增MC服务器，MC客户端程序库要根据服务器列表总数重新取余，就会选择一台其他的MC服务器存储数据，而该台服务器没有缓存上一台服务器的数据，所以导致大量数据发起大量请求访问DB获取数据，容易造成雪崩问题。
为了解决Hash取余算法的固有缺点，MC引入一致性Hash算法，如果图10所示，首先求出MC服务器（节点）的哈希值，将其分配到0~232的环上。然后用同样的方法求出存放数据的哈希值，映射到环上，并从数据映射的位置开始顺时针查找，将数据存放到最近的一个MC节点。如果超过232仍然找不到服务器，就会保存到第一台MC节点上。获取数据的查找方式也是如此。
图10 一致性Hash基本原理
从图10的状态中添加一台MC服务器节点5，变成图11，只有环上增加节点5到逆时针方向的第一台节点（节点2）之间的键受影响，本应映射到节点4而映射到节点5。因此，一致性Hash算法最大程度抑制键的重新分布。
图11 一致性Hash：添加服务器
图12的哈希表或许更加直观，md5根据key值摘要一个128bit的哈希值（校验和），一般表示为32位的16进制数，我们取哈希值的第一位范围将key映射到不同节点，如图12左侧表格所示。当新增一个节点5，把原本映射到节点4的一半数据映射到节点5，其他三个节点不受影响。但是引出数据在MC节点上分布不均匀的问题，原本左侧表格每个节点映射的数据量一样，但是右侧表格的节点4/5只有其他三个节点的一半数据量，导致节点4/5的带宽和内存使用率一直不饱满。
图12 一致性Hash：哈希表方式
为此，引入虚拟节点，如图13所示，左侧表格中依md5值划分为16个虚拟节点，每四个虚拟节点映射到一个物理节点。当增加物理节点5时，就从节点1/2/3各拿一个虚拟节点映射到物理节点5，这样每个物理节点基本有3到4个虚拟节点的映射，缓存数据分布相对图12右侧表格均衡很多。
图13 一致性Hash：引入虚拟节点
一致性Hash算法启示
- 副本存储到多个节点，避免单点故障或者数据失效大量请求涌向DB
- 节点故障后，有快速预热新节点应急手段，或者使用冷节点备份
十. Memcached一些疑难问题
1. 为什么不能用缓存保存session？
当MC内存空间不足，并且没有过期数据，MC用新数据覆盖LRU的数据，导致部分session信息被清除，用户重新登录才能获取到session，用户体验差。实际上，可以把session持久化到DB，MC缓存一份session，待MC查询不到session信息，再到DB查询，并更新MC，既能保证数据不丢失，也保证session查询速度快。
2. 为什么同一个MC的数据，有的缓存（值较大的旧数据）要2天才被置换出，有的缓存（值较小的新数据）几分钟就被置换出？
值较大的数据占用Slab Class的大Chunk size，值较小的数据占用Slab Class的小Chunk size，根据Slab钙化问题，当值较小的数据占用Slab Class空间不够用时，并且没有多余的内存和过期的数据，不会挪用值较大的数据占用Slab Class空间，只会复用原有值较小的数据占用Slab Class空间，根据LRU算法置换出同一种Slab的Chunk数据。
Slab钙化问题请查看拙作[Memcached] Slab钙化问题
3. Cache失效后的拥堵问题
通常我们会为两种数据做Cache，一种是热数据，也就是说短时间内有很多人访问的数据；另一种是高成本的数据，也就说查询很耗时的数据。当这些数据过期的瞬间，如果大量请求同时到达，那么它们会一起请求后端重建Cache，造成拥堵问题。
一般有如下几种解决思路可供选择：
首先，通过定时任务主动更新Cache；
其次，我们可以加分布式锁，保证只有一个请求访问数据库更新缓存。
4. Multiget的无底洞问题
出于效率的考虑，很多Memcached应用都以Multiget操作为主，随着访问量的增加，系统负载捉襟见肘，遇到此类问题，直觉通常都是增加服务器来提升系统性能，但是在实际操作中却发现问题并不简单，新加的服务器好像被扔到了无底洞里一样毫无效果。Multiget根据key请求多台服务器，但这并不是问题的症结，真正的原因在于客户端在请求多台服务器时是并行的还是串行的！问题是很多客户端，在处理Multiget多服务器请求时，使用的是串行的方式！也就是说，先请求一台服务器，然后等待响应结果，接着请求另一台，结果导致客户端操作时间累加，请求堆积，性能下降。
5. 缓存命中率下降，但是内存的利用率很高时，我们需要如何进行处理？
内存空间不足，导致缓存失效移除，命中率下降，既然内存利用率高，扩容MC服务器即可。
6. 缓存命中率下降，内存的利用率也在下降时，我们需要如何进行处理？
跟问题2类似，也是Slab钙化问题。空间利用率高的Slab Class不会使用空间利用率低的其他的Slab Class，导致空间利用率高的Slab Class不断因为LRU踢出数据，总体而言，缓存命中率下降，内存的利用率也会下降。
Slab钙化降低内存使用率，如果发生Slab钙化，有三种解决方案：
- 重启Memcached实例，简单粗暴，启动后重新分配Slab class，但是如果是单点可能造成大量请求访问数据库，出现雪崩现象，冲跨数据库。
- 随机过期：过期淘汰策略也支持淘汰其他slab class的数据，twitter工程师采用随机选择一个Slab，释放该Slab的所有缓存数据，然后重新建立一个合适的Slab。
- 通过slab_reassign、slab_authmove。
7. 通常情况下，缓存的粒度越小，命中率会越高。
举个实际的例子说明：当缓存单个对象的时候（例如：单个用户信息），只有当该对象对应的数据发生变化时，我们才需要更新缓存或者移除缓存。而当缓存一个集合的时候（例如：所有用户数据），其中任何一个对象对应的数据发生变化时，都需要更新或移除缓存。
由于序列化和反序列化需要一定的资源开销，当处于高并发高负载的情况下，对大对象数据的频繁读取有可能会使得服务器的CPU崩溃。
8. 缓存被“击穿”问题
对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑另外一个问题：缓存被“击穿”的问题。
- 概念：缓存在某个时间点过期的时候，恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，这些请求发现缓存过期一般都会从后端DB加载数据并回设到缓存，这个时候大并发的请求可能会瞬间把后端DB压垮。
- 如何解决：业界比较常用的做法，是使用mutex。简单地来说，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去load db，而是先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一个mutex key，当操作返回成功时，再进行load db的操作并回设缓存；否则，就重试整个get缓存的方法。类似下面的代码：
public String get(key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) { //代表缓存值过期
//设置3min的超时，防止del操作失败的时候，下次缓存过期一直不能load db
if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) { //代表设置成功
value = db.get(key);
redis.set(key, value, expire_secs);
redis.del(key_mutex);
} else { //这个时候代表同时候的其他线程已经load db并回设到缓存了，这时候重试获取缓存值即可
sleep(50);
get(key); //重试
}
} else {
return value;
}
}
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