缓存失效:Memcached 的缓存失效机制解析
缓存失效:Memcached 的缓存失效机制解析
Memcached 是一种高性能的分布式内存缓存系统,广泛应用于提高 Web 应用的性能和扩展性。缓存失效机制是 Memcached 重要的一部分,它决定了缓存中的数据何时被移除,从而确保缓存能够高效地利用内存资源。本文将详细解析 Memcached 的缓存失效机制,具体到源码级别,帮助读者深入理解其实现原理和工作机制。
一、Memcached 概述
Memcached 是一个基于内存的键值存储系统,旨在通过缓存数据库查询结果、会话数据等频繁访问的数据,减轻数据库负载,提高数据访问速度。其主要特性包括:
- 分布式:支持将数据分布存储在多个节点上,实现负载均衡和高可用性。
- 高性能:基于内存存储数据,支持高并发读写操作。
- 简单性:采用简单的键值对存储模型,易于部署和使用。
二、缓存失效机制概述
缓存失效是指缓存中的数据在一定条件下被移除或替换。缓存失效机制对于维持缓存系统的高效运行至关重要,主要包括以下几种策略:
- 定时失效(Time-based Expiration):数据在设定的过期时间后自动失效。
- LRU(Least Recently Used):当缓存空间不足时,移除最久未被访问的数据。
- 手动失效(Manual Invalidation):通过用户操作主动删除缓存数据。
Memcached 主要采用定时失效和 LRU 策略来管理缓存数据。此外,用户也可以通过 API 主动删除缓存条目。
三、定时失效机制
定时失效机制是 Memcached 的核心缓存失效策略之一。每个缓存条目在存储时可以指定一个过期时间,当达到过期时间后,条目将被标记为失效,并在下一次访问时被移除。
3.1 定时失效的工作原理
在 Memcached 中,每个缓存条目在存储时可以指定一个绝对时间戳(Unix 时间戳)或相对过期时间(以秒为单位)。当客户端请求数据时,Memcached 会检查该条目的过期时间,如果当前时间超过了过期时间,则认为该条目失效并将其移除。
3.2 定时失效的源码解析
以下是 Memcached 中处理定时失效的部分源码解析:
3.2.1 存储缓存条目
Memcached 在存储缓存条目时,会计算条目的过期时间,并将其存储在条目结构中。相关代码位于 items.c
文件中:
// items.c 中的部分代码
void item_set_cas(item *it, uint64_t cas) {
// 设置条目的 CAS(Compare-And-Swap)值
if (it->it_flags & ITEM_CAS) {
memcpy(ITEM_get_cas(it), &cas, sizeof(uint64_t));
}
}
int add_item_to_hash(item *it) {
uint32_t hv = hash(ITEM_key(it), it->nkey);
// 将条目添加到哈希表中
it->next = heads[hv];
if (it->next) {
it->next->prev = it;
}
heads[hv] = it;
return 1;
}
item *do_item_alloc(const char *key, const size_t nkey, const int flags,
const rel_time_t exptime, const int nbytes) {
// 分配条目结构并设置过期时间
item *it = slabs_alloc(sizeof(item) + nkey + nbytes, ITEM_ntotal(it));
if (it == 0) {
return 0;
}
it->next = it->prev = 0;
it->nkey = nkey;
memcpy(ITEM_key(it), key, nkey);
it->nbytes = nbytes;
it->flags = flags;
it->exptime = exptime;
return it;
}
3.2.2 检查缓存条目
当客户端请求数据时,Memcached 会检查条目的过期时间,并决定是否返回数据或移除失效条目。相关代码位于 items.c
文件中:
// items.c 中的部分代码
item *do_item_get(const char *key, const size_t nkey, const uint32_t hv, const bool do_update) {
item *it = assoc_find(key, nkey, hv);
if (it != NULL) {
if (it->exptime != 0 && it->exptime <= current_time) {
do_item_unlink(it, hv);
it = NULL;
}
}
return it;
}
void do_item_unlink(item *it, const uint32_t hv) {
// 从哈希表中移除条目
if (it->prev) {
it->prev->next = it->next;
}
if (it->next) {
it->next->prev = it->prev;
}
if (heads[hv] == it) {
heads[hv] = it->next;
}
// 释放条目内存
slabs_free(it, ITEM_ntotal(it));
}
3.3 定时失效的优缺点
优点:
- 简单高效:定时失效机制简单直接,适用于大多数缓存场景。
- 控制粒度:用户可以为每个缓存条目设置独立的过期时间,灵活性高。
缺点:
- 可能导致缓存雪崩:在高并发场景下,大量条目同时过期可能导致缓存雪崩,增加数据库负载。
- 内存浪费:已过期但未被访问的条目会占用内存,直到被主动清理。
四、LRU(Least Recently Used)机制
当缓存空间不足时,Memcached 采用 LRU 策略移除最久未被访问的条目,以腾出空间存储新的条目。LRU 机制确保了缓存中保留的都是最近访问过的数据,提高了缓存命中率。
4.1 LRU 的工作原理
Memcached 使用双向链表来维护条目的访问顺序。每次访问或更新条目时,会将该条目移动到链表头部。当需要移除条目时,会从链表尾部开始移除。
4.2 LRU 的源码解析
以下是 Memcached 中处理 LRU 机制的部分源码解析:
4.2.1 维护访问顺序
Memcached 在访问或更新条目时,会将该条目移动到 LRU 链表头部。相关代码位于 items.c
文件中:
// items.c 中的部分代码
void item_update(item *it) {
if (it->time != current_time) {
do_item_unlink_q(it);
it->time = current_time;
do_item_link_q(it);
}
}
void do_item_link_q(item *it) {
item *head, *tail;
head = &heads[it->slabs_clsid];
tail = &tails[it->slabs_clsid];
if (tail->prev != 0) {
it->prev = tail->prev;
it->prev->next = it;
} else {
head->next = it;
}
it->next = tail;
tail->prev = it;
}
void do_item_unlink_q(item *it) {
if (it->prev != 0) {
it->prev->next = it->next;
}
if (it->next != 0) {
it->next->prev = it->prev;
}
}
4.2.2 移除最久未被访问的条目
当缓存空间不足时,Memcached 会从 LRU 链表尾部开始移除最久未被访问的条目。相关代码位于 items.c
文件中:
// items.c 中的部分代码
void item_evict(size_t slabs_clsid) {
item *it = tails[slabs_clsid].prev;
if (it == NULL) {
return;
}
do_item_unlink(it, hash(ITEM_key(it), it->nkey));
}
void item_alloc_evict(size_t slabs_clsid, const size_t ntotal) {
while (get_lru_size(slabs_clsid) > 0) {
item *it = tails[slabs_clsid].prev;
if (it == NULL || (it->exptime != 0 && it->exptime > current_time)) {
break;
}
item_evict(slabs_clsid);
}
}
4.3 LRU 的优缺点
优点:
- 提高缓存命中率:LRU 机制确保了缓存中保留的是最近访问的数据,有助于提高缓存命中率。
自动管理:无需用户干预,自动管理缓存空间。
缺点:
- 额外开销:维护双向链表需要额外的内存和处理开销。
- 不适用于所有场景:某些高频访问的数据可能会被频繁淘汰,降低缓存命中率。
五、手动失效机制
除了定时失效和 LRU 机制外,Memcached 还允许用户通过 API 主动删除缓存条目。这对于需要精细控制缓存内容的场景非常有用。
5.1 手动失效的工作原理
用户可以通过 Memcached 提供的 delete
命令主动删除缓存条目,指定的条目将立即从缓存中移除。
5.2 手动失效的源码解析
以下是 Memcached 中处理手动失效的部分源码解析:
5.2.1 处理删除请求
当接收到 delete
命令时,Memcached 会找到对应的条目并将其从哈希表和 LRU 链表中移除。相关代码位于 memcached.c
文件中:
// memcached.c 中的部分代码
void process_delete_command(conn *c, char *key, size_t nkey, const bool noreply) {
uint32_t hv = hash(key, nkey);
item *it = do_item_get(key, nkey, hv, DONT_UPDATE);
if (it) {
do_item_unlink(it, hv);
do_item_remove(it);
out_string(c, "DELETED");
} else {
out_string(c, "NOT_FOUND");
}
}
5.3 手动失效的优缺点
优点:
- 精细控制:用户可以根据具体需求主动删除缓存条目,灵活性高。
- 即时生效:删除操作立即生效,避免无用数据占用内存。
缺点:
- 需要用户干预:手动失效需要用户明确指定删除操作,增加了管理复杂性。
- 不适用于自动化场景:对于需要自动管理缓存的场景,手动失效不够高效。
六、Memcached 的缓存失效策略总结
Memcached 通过定时失效、LRU 机制和手动失效三种策略管理缓存数据,确保缓存空间的高效利用和缓存命中率。以下是对这三种策略的总结和对比:
6.1 定时失效
- 优点:简单高效,控制粒度灵活。
- 缺点:可能导致缓存雪崩,内存浪费。
6.2 LRU 机制
- 优点:提高缓存命中率,自动管理。
- 缺点:额外开销,不适用于所有场景。
6.3 手动失效
- 优点:精细控制,即时生效。
- 缺点:需要用户干预,不适用于自动化场景。
在实际应用中,选择合适的缓存失效策略需要根据具体需求和应用场景进行权衡和取舍。通过深入理解 Memcached 的缓存失效机制,用户可以更好地优化缓存性能,提高系统的整体效率。
七、源码分析与优化建议
通过对 Memcached 源码的详细分析,我们可以发现其缓存失效机制的实现细节。以下是一些优化建议和改进思路:
7.1 优化定时失效机制
建议:增加批量过期检查机制,减少单次请求的过期检查开销。
改进思路:在定时任务中批量检查并移除过期条目,减少单次请求的负担。
// items.c 中的改进代码示例
void batch_expiration_check(void) {
for (int i = 0; i < LARGEST_ID; i++) {
item *it = heads[i].next;
while (it != NULL) {
if (it->exptime != 0 && it->exptime <= current_time) {
item *next = it->next;
do_item_unlink(it, hash(ITEM_key(it), it->nkey));
it = next;
} else {
it = it->next;
}
}
}
}
7.2 优化 LRU 机制
建议:使用更高效的数据结构如链表或队列管理 LRU 链表,减少链表操作开销。
改进思路:采用双端队列(deque)替代双向链表,实现更高效的 LRU 维护。
// items.c 中的改进代码示例
#include <deque>
std::deque<item*> lru_queue[LARGEST_ID];
void item_update(item *it) {
lru_queue[it->slabs_clsid].erase(it->lru_pos);
lru_queue[it->slabs_clsid].push_front(it);
it->lru_pos = lru_queue[it->slabs_clsid].begin();
}
void item_evict(size_t slabs_clsid) {
item *it = lru_queue[slabs_clsid].back();
if (it != NULL) {
lru_queue[slabs_clsid].pop_back();
do_item_unlink(it, hash(ITEM_key(it), it->nkey));
}
}
7.3 增强手动失效机制
建议:增加批量删除和模式匹配删除功能,提高手动失效操作的灵活性和效率。
改进思路:支持通过通配符或正则表达式批量删除缓存条目。
// memcached.c 中的改进代码示例
void process_batch_delete_command(conn *c, char *pattern, const bool noreply) {
for (int i = 0; i < LARGEST_ID; i++) {
item *it = heads[i].next;
while (it != NULL) {
if (fnmatch(pattern, ITEM_key(it), 0) == 0) {
item *next = it->next;
do_item_unlink(it, hash(ITEM_key(it), it->nkey));
it = next;
} else {
it = it->next;
}
}
}
if (!noreply) {
out_string(c, "DELETED");
}
}
八、总结
本文详细解析了 Memcached 的缓存失效机制,包括定时失效、LRU 机制和手动失效,并深入探讨了其源码实现和工作原理。通过这些分析,读者可以更好地理解 Memcached 如何高效地管理缓存数据,并在实际应用中根据具体需求选择合适的缓存失效策略。同时,我们还提出了一些优化建议,旨在进一步提高 Memcached 的性能和灵活性。希望本文能够为从事缓存系统开发和优化的工程师提供有价值的参考。
原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_41859354/article/details/140646588
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