Memcached

1.NoSQL介绍

        NoSQL是对 Not Only SQL、非传统关系型数据库的统称。

        NoSQL一词诞生于1998年，2009年这个词汇被再次提出指非关系型、分布式、不提供ACID的数据库设计模式。

        随着互联网时代的到来，数据爆发式增长，数据库技术发展日新月异，要适应新的业务需求。

        而随着移动互联网、物联网的到来，大数据的技术中NoSQL也同样重要。

数据库排名：https://db-engines.com/en/ranking

NoSQL 分类

• Key-value Store k/v数据库

  • 性能好 O(1) , 如: redis、memcached

• Document Store 文档数据库

  • mongodb、CouchDB

• Column Store 列存数据库，Column-Oriented DB

  • HBase、Cassandra，大数据领域应用广泛

• Graph DB 图数据库

  • Neo4j

• Time Series 时序数据库

  • InfluxDB、Prometheus

2. Memcached

        Memcached 只支持能序列化的数据类型，不支持持久化，基于Key-Value的内存缓存系统

        memcached 虽然没有像redis所具备的数据持久化功能，比如RDB和AOF都没有，但是可以通过做集群同步的方式，让各memcached服务器的数据进行同步，从而实现数据的一致性，即保证各memcached的数据是一样的，即使有任何一台 memcached 发生故障，只要集群中有一台 memcached 可用就不会出现数据丢失，当其他memcached 重新加入到集群的时候,可以自动从有数据的memcached 当中自动获取数据并提供服务

        Memcached 借助了操作系统的 libevent 工具做高效的读写。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，也能发挥高性能。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

        Memcached 支持最大的内存存储对象为1M，超过1M的数据可以使用客户端压缩或拆分报包放到多个key中，比较大的数据在进行读取的时候需要消耗的时间比较长，memcached 最适合保存用户的session实现session共享

        Memcached存储数据时, Memcached会去申请1MB的内存, 把该块内存称为一个slab, 也称为一个page

        Memcached 支持多种开发语言，包括：JAVA,C,Python,PHP,C#,Ruby,Perl等

Memcached 官网：http://memcached.org/

3.Memcached 和 Redis 比较

4 Memcached 工作机制

4.1 内存分配机制

应用程序运行需要使用内存存储数据，但对于一个缓存系统来说，申请内存、释放内存将十分频繁，非常容易导致大量内存碎片，最后导致无连续可用内存可用。

Memcached采用了Slab Allocator机制来分配、管理内存。

• Page：分配给Slab的内存空间，默认为1MB，分配后就得到一个Slab。Slab分配之后内存按照固定字节大小等分成chunk。
• Chunk：用于缓存记录k/v值的内存空间。Memcached会根据数据大小选择存到哪一个chunk中，假设chunk有128bytes、64bytes等多种，数据只有100bytes存储在128bytes中，存在少许浪费。
• Chunk最大就是Page的大小，即一个Page中就一个Chunk
• Slab Class：Slab按照Chunk的大小分组，就组成不同的Slab Class, 第一个Chunk大小为 96B的Slab为Class1,Chunk 120B为Class 2,如果有100bytes要存，那么Memcached会选择下图中Slab Class 2 存储，因为它是120bytes的Chunk。Slab之间的差异可以使用Growth Factor 控制，默认1.25。

范例：查看Slab Class 

#-f, --slab-growth-factor=<num> chunk size growth factor (default: 1.25)
[root@centos7 ~]#memcached -u memcached -f 2 -vv
slab class   1: chunk size        96 perslab   10922
slab class   2: chunk size       192 perslab    5461
slab class   3: chunk size       384 perslab    2730
slab class   4: chunk size       768 perslab    1365
slab class   5: chunk size      1536 perslab     682
slab class   6: chunk size      3072 perslab     341
slab class   7: chunk size      6144 perslab     170
slab class   8: chunk size     12288 perslab      85
slab class   9: chunk size     24576 perslab      42
slab class  10: chunk size     49152 perslab      21
slab class  11: chunk size     98304 perslab      10
slab class  12: chunk size    196608 perslab       5
slab class  13: chunk size    524288 perslab       2
<27 server listening (auto-negotiate)
<28 server listening (auto-negotiate)

4.2 懒过期 Lazy Expiration

        memcached不会监视数据是否过期，而是在取数据时才看是否过期，如果过期,把数据有效期限标识为0，并不清除该数据。以后可以覆盖该位置存储其它数据。

4.3 LRU （最近最少使用算法）

        当内存不足时，memcached会使用LRU（Least Recently Used）机制来查找可用空间，分配给新记录使用

4.4 集群

        Memcached集群，称为基于客户端的分布式集群，即由客户端实现集群功能，即Memcached本身不支持集群

        Memcached集群内部并不互相通信，一切都需要客户端连接到Memcached服务器后自行组织这些节点，并决定数据存储的节点。

5.安装和启动

官方安装说明

Install · memcached/memcached Wiki · GitHub

5.1 yum 安装

yum  install  -y   memcached

[root@localhost ~]#yum info    memcached
已加载插件：fastestmirror, langpacks
Repodata is over 2 weeks old. Install yum-cron? Or run: yum makecache fast
Determining fastest mirrors
 * base: mirrors.nju.edu.cn
 * extras: mirrors.nju.edu.cn
 * updates: mirrors.nju.edu.cn
可安装的软件包
名称    ：memcached
架构    ：x86_64
版本    ：1.4.15
发布    ：10.el7_3.1
大小    ：85 k
源    ：base/7/x86_64
简介    ： High Performance, Distributed Memory Object Cache
网址    ：http://www.memcached.org/
协议    ： BSD
描述    ： memcached is a high-performance, distributed memory object caching
         : system, generic in nature, but intended for use in speeding up dynamic
         : web applications by alleviating database load.

配置文件:

[root@localhost ~]#vim /etc/sysconfig/memcached
PORT="11211"      #监听端口
USER="memcached"  #启动用户
MAXCONN="1024"    #最大连接数
CACHESIZE="64"    #最大使用内存
OPTIONS=""        #其他选项
 
 
OPTIONS="" 表示该行用于定义启动 Memcached 时附加的命令行选项。当 OPTIONS 变量为空字符串时，
意味着没有指定任何额外的启动参数。
 
 
Memcached 在启动时可以通过 -o 参数或者直接在配置文件中指定一系列可选配置项，这些配置项可以包括
但不限于：
 
绑定监听地址（例如 -l 或 -o listen=127.0.0.1）
监听端口（例如 -p 或 -o port=11211）
分配给缓存的最大内存大小（例如 -m 或 -o maxmemory=64
最大并发连接数（例如 -c 或 -o maxconn=1024）
 
 
如：OPTIONS="-l 192.168.1.1 -p 11212 -m 512"
Memcached 监听 192.168.1.1 地址上的 11212 端口，并分配最多 512MB 内存作为缓存空间。

5.2 编译安装

yum -y install gcc libevent-devel
wget http://memcached.org/files/memcached-1.6.6.tar.gz
tar xvf memcached-1.6.6.tar.gz
cd memcached-1.6.6/
./configure --prefix=/apps/memcached
make && make install
 
ln -s /apps/memcached/bin/memcached /usr/bin
 
#准备用户
useradd -r -s /sbin/nologin memcached
 
 
cat >    /etc/sysconfig/memcached    << eof
PORT="11211"
USER="memcached"
MAXCONN="1024"
CACHESIZE="64"
OPTIONS=""
eof
 
 
 
#准备service文件
cat  > /lib/systemd/system/memcached.service    << eof
[Unit]
Description=memcached daemon
Before=httpd.service
After=network.target
[Service]
EnvironmentFile=/etc/sysconfig/memcached
ExecStart=/apps/memcached/bin/memcached -p  \${PORT} -u \${USER} -m \${CACHESIZE} -c \${MAXCONN} \$OPTIONS
[Install]
WantedBy=multi-user.target
eof
 
 
systemctl daemon-reload
systemctl enable --now memcached.service
memcached --version
 
 
#在多行重定向或多行字符串中，\ 在变量名前面用来确保变量名跨越多行仍然能够被正确解析。

增长因子的改变

#默认前台执行
[root@centos7 ~]#memcached -u memcached -m 1024 -c 65536 -f 2 -vv 
 
#以台方式执行
[root@centos7 ~]#memcached -u memcached -m 1024 -c 65536 -d

5.3 memcached 启动程序说明

修改memcached 运行参数，可以使用下面的选项修改/etc/sysconfig/memcached文件

memcached 常见选项

-u username memcached运行的用户身份，必须普通用户
-p 绑定的端口，默认11211
-m num 最大内存，单位MB，默认64MB
-c num 最大连接数，缺省1024
-d 守护进程方式运行
-f 增长因子Growth Factor，默认1.25
-v 详细信息，-vv能看到详细信息
-M 使用内存直到耗尽，不许LRU
-U 设置UDP监听端口，0表示禁用UDP

6 使用 memcached

6.1 memcached 开发库和工具

与memcached通信的不同语言的连接器。libmemcached提供了C库和命令行工具。 

范例: 

#安装工具包
yum install  libmemcached -y

memping    检测连接服务器

[root@node2 ~]#memping --help
memping v1.0
 
	Ping a server to see if it is alive
 
Current options. A '=' means the option takes a value.
 
	 --version 
		Display the version of the application and then exit.
	 --help 
		Display this message and then exit.
	 --quiet 
		stderr and stdin will be closed at application startup.
	 --verbose 
		Give more details on the progression of the application.
	 --debug 
		Provide output only useful for debugging.
	 --servers=
		List which servers you wish to connect to.
	 --expire=
		Set the expire option for the object.
	 --binary 
		Switch to binary protocol.
	 --username=
		Username to use for SASL authentication
	 --password=
		Password to use for SASL authentication
 
 
 
#有memcached
[root@web1 opt]#memping --servers 192.168.80.12
[root@web1 opt]#echo $?
0
 
#无memcached
[root@web1 opt]#memping --servers 192.168.80.11
Failed to ping 192.168.80.11:11211 CONNECTION FAILURE
[root@web1 opt]#echo $?
1

memstat

[root@web1 opt]#memstat --servers=192.168.80.12
Server: 192.168.80.12 (11211)
	 pid: 60401
	 uptime: 1128
	 time: 1710390057
	 version: 1.6.6
	 libevent: 2.0.21-stable
	 pointer_size: 64
	 rusage_user: 0.078410
	 rusage_system: 0.026136
	 max_connections: 1024
	 curr_connections: 2
	 total_connections: 4
	 rejected_connections: 0
	 connection_structures: 3
	 response_obj_bytes: 2336
	 response_obj_total: 2
	 response_obj_free: 1
	 response_obj_oom: 0
	 read_buf_bytes: 32768
	 read_buf_bytes_free: 16384
	 read_buf_oom: 0
	 reserved_fds: 20
	 cmd_get: 0
	 cmd_set: 0
	 cmd_flush: 0
	 cmd_touch: 0
	 cmd_meta: 0
	 get_hits: 0
	 get_misses: 0
	 get_expired: 0
	 get_flushed: 0
	 delete_misses: 0
	 delete_hits: 0
	 incr_misses: 0
	 incr_hits: 0
	 decr_misses: 0
	 decr_hits: 0
	 cas_misses: 0
	 cas_hits: 0
	 cas_badval: 0
	 touch_hits: 0
	 touch_misses: 0
	 auth_cmds: 0
	 auth_errors: 0
	 bytes_read: 32
	 bytes_written: 30
	 limit_maxbytes: 67108864
	 accepting_conns: 1
	 listen_disabled_num: 0
	 time_in_listen_disabled_us: 0
	 threads: 4
	 conn_yields: 0
	 hash_power_level: 16
	 hash_bytes: 524288
	 hash_is_expanding: 0
	 slab_reassign_rescues: 0
	 slab_reassign_chunk_rescues: 0
	 slab_reassign_evictions_nomem: 0
	 slab_reassign_inline_reclaim: 0
	 slab_reassign_busy_items: 0
	 slab_reassign_busy_deletes: 0
	 slab_reassign_running: 0
	 slabs_moved: 0
	 lru_crawler_running: 0
	 lru_crawler_starts: 1530
	 lru_maintainer_juggles: 1178
	 malloc_fails: 0
	 log_worker_dropped: 0
	 log_worker_written: 0
	 log_watcher_skipped: 0
	 log_watcher_sent: 0
	 bytes: 0
	 curr_items: 0
	 total_items: 0
	 slab_global_page_pool: 0
	 expired_unfetched: 0
	 evicted_unfetched: 0
	 evicted_active: 0
	 evictions: 0
	 reclaimed: 0
	 crawler_reclaimed: 0
	 crawler_items_checked: 0
	 lrutail_reflocked: 0
	 moves_to_cold: 0
	 moves_to_warm: 0
	 moves_within_lru: 0
	 direct_reclaims: 0
	 lru_bumps_dropped: 0

6.2  memcached 操作命令

memcached 操作命令

cat  /usr/share/doc/memcached/protocol.txt 

编译安装不在此处

[root@web1 ~]#find / -name 'protocol.txt'
/usr/lib64/xorg/protocol.txt
/opt/memcached-1.6.6/doc/protocol.txt

五种基本 memcached 命令执行最简单的操作。这些命令和操作包括：

• set   重新设置

• add   新加一个数据

• get    调用

• delete   删除数据

#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,都使用如下所示的语法：
command <key> <flags> <expiration time> <bytes>
<value>
 
#参数说明如下：
command set/add/replace
key       key 用于查找缓存值
flags     可以包括键值对的整型参数，客户机使用它存储关于键值对的额外信息
expiration time     在缓存中保存键值对的时间长度（以秒为单位，0 表示永远）
bytes     在缓存中存储的字节数
value     存储的值（始终位于第二行）
#增加key，过期时间为秒，bytes为存储数据的字节数
add key flags exptime bytes  

例子： 显示服务状态

[root@wg ~]#telnet 192.168.80.12 11211
Trying 192.168.80.12...
Connected to 192.168.80.12.
Escape character is '^]'.
 
stats
#显示服务状态
 
 
stats items #显示各个 slab 中 item 的数目和存储时长(最后一次访问距离现在的秒数)。
 
 
 
stats slabs #用于显示各个slab的信息，包括chunk的大小、数目、使用情况等
 
 
 
quit   #退出

例子： 添加数据

[root@wg ~]#telnet 192.168.80.12 11211
Trying 192.168.80.12...
Connected to 192.168.80.12.
Escape character is '^]'.
 
add name 1 30 4
wang
STORED
 
 
add  	添加
name  	键的名字
1    	flages标志  描述信息
30   	超时时间   默认秒  0 代表永久有效
4    	字节数  数据的大小、
zhou 	具体的值

例子：修改

set name 1 60 5
test
 
显示CLIENT_ERROR bad data chunk数据格式不正确或者数据内容违反了Memcached的协议规范。

例子：调用数据

get name
VALUE name 1 4
zhou
END

例子:删除

get class
VALUE class 1 4
asdf
END
 
delete class
DELETED
 
get class
END

例子：清空

flush_all
OK
get mykey
END
 
quit

7 memcached集群部署架构

7.1 基于 magent 的部署架构

        Magent是google开发的项目,应用端通过负载均衡服务器连接到magent，然后再由magent代理用户应用请求到memcached处理，底层的memcached为双主结构会自动同步数据，本部署方式存在magent单点问题,因此需要两个magent做高可用。

项目站点：https://code.google.com/archive/p/memagent/

此项目过于陈旧,且不稳定,当前已经废弃

7.2 Repcached 实现原理

项目站点：repcached - add data replication feature to memcached

        在 master上可以通过 -X 选项指定 replication port(默认为11212/tcp)，在 slave上通过 -x 指定复制的master并连接，事实上，如果同时指定了 -x/-X， repcached先会尝试连接对端的master，但如果连接失败，它就会用 -X参数来自己 listen（成为master）；如果 master坏掉， slave侦测到连接断了，它会自动 listen而成为 master；而如果 slave坏掉，master也会侦测到连接断开，它就会重新 listen等待新的 slave加入。

        从这方案的技术实现来看，其实它是一个单 master单 slave的方案，但它的 master/slave都是可读写的，而且可以相互同步，所以从功能上看，也可以认为它是双机 master-master方案

7.3 简化后的部署架构

        magent已经有很长时间没有更新，因此可以不再使用magent，直接通过负载均衡连接到memcached，仍然有两台memcached做高可用，repcached版本的memcached之间会自动同步数据，以保持数据一致性，即使其中的一台memcached故障也不影响业务正常运行，故障的memcached修复上线后再自动从另外一台同步数据即可保持数据一致性。

7.4 部署repcached

haproxy：192.168.80.7

server1：192.168.80.10

server2：192.168.80.11

server1 和 server2 可同时部署也可等server1部署好后 rsync -a /apps   192.168.80.11:/
 
yum -y install gcc libevent libevent-devel
wget  https://jaist.dl.sourceforge.net/project/repcached/repcached/2.2.1-1.2.8/memcached-1.2.8-repcached-2.2.1.tar.gz
tar xf memcached-1.2.8-repcached-2.2.1.tar.gz
cd memcached-1.2.8-repcached-2.2.1
./configure --prefix=/apps/repcached --enable-replication
make
 
会报错
#报错如下

解决办法：

vim memcached.c
 
56 #ifndef IOV_MAX
57 #if defined(__FreeBSD__) || defined(__APPLE__)
58 # define IOV_MAX 1024
59 #endif
60 #endif
 
 
#改为如下内容，即删除原有的原第57，59行
56 #ifndef IOV_MAX
57 # define IOV_MAX 1024
58 #endif

再次编译安装：

[root@localhost memcached-1.2.8-repcached-2.2.1]#make && make install
 
做软连接
ln -s /apps/repcached/bin/memcached  /usr/bin/
 
 
使用帮助
[root@localhost ~]#memcached -h 
memcached 1.2.8
repcached 2.2.1
 
-x <ip_addr>  hostname or IP address of peer repcached
-X <num:num>  TCP port number for replication. <listen:connect> (default: 11212)

7.6 启动 memcached

7.6.1 相关操作

server1

#创建用户
useradd -r -s /sbin/nologin memcached
 
memcached -d -m 1024 -p 11211 -u memcached -c 2048 -x 192.168.80.11
#-x 192.168.80.11 为对端memcached的地址  -d  后台
 
 
ss -ntl
# 查看是否启动

server2

#在server1 上 将整个目录拷贝到  server2上（若server2已经完成部署不用拷贝）
rsync -a /apps   192.168.91.101:/
# apps注意不要加/
#yum -y install gcc libevent libevent-devel
#ln -s /apps/repcached/bin/memcached  /usr/bin/
 
 
useradd -r -s /sbin/nologin memcached
#创建用户
 
 
memcached -d -m 1024 -p 11211 -u memcached -c 2048 -x 192.168.80.10
 
 
ss -ntl
# 查看是否启动

haproxy

yum install -y haproxy
systemctl start haproxy
 
vim /etc/haproxy/haproxy.cfg
 
listen mem
    bind 192.168.80.7:11211
    mode tcp
    server  m1  192.168.80.10:11211 check
    server  m2  192.168.80.11:11211 check
 
systemctl restart haproxy.service

测试：

[root@localhost ~]#telnet 192.168.80.7 11211
Trying 192.168.80.7...
Connected to 192.168.80.7.
Escape character is '^]'.
 
set server 1 0 10
hello word
STORED
 
get server
VALUE server 1 10
hello word
END