【Memcached】Memcached的工作原理

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第2章：Memcached工作原理

2.1 数据存储与访问

2.2 分布式架构

2.3 数据过期机制

Memcached是一种键值存储系统，其中数据以键值对的形式存储。键是用于定位数据的唯一标识符，而值则是要存储的数据本身。在Memcached中，键是一个字符串，长度通常限制在250字节以内，而值则可以是任意格式的数据，如字符串、整数、浮点数或序列化的复杂数据结构，但大小通常限制在1MB以内。

当应用程序需要存储数据时，它通过Memcached客户端库发送一个命令到Memcached服务器，指定要存储的键和对应的值。如果存储成功，Memcached会返回确认信息。如果数据已存在，Memcached将覆盖旧值。

对于数据访问，应用程序通过发送带有相应键的命令来请求数据。Memcached使用键在内存中查找对应的值，并将其返回给客户端。如果找不到数据，Memcached将返回一个“未找到”消息。

操作	描述
存储数据	应用程序通过客户端发送`set`命令，包含键、值和可选的生存时间(TTL)。
存储确认	Memcached返回`STORED`确认数据已存储，或返回错误代码。
获取数据	应用程序使用`get`命令，传入键，Memcached查找键并返回对应的值。
获取确认	Memcached返回值或`NOT_FOUND`错误，表示键不存在或已过期。
删除数据	应用程序使用`delete`命令，传入键，Memcached从内存中移除对应的键值对。
删除确认	Memcached返回`DELETED`确认数据已被删除，或`NOT_FOUND`表示键不存在。
替换数据	如果键已存在，使用`replace`命令替换现有值。
替换确认	Memcached返回`REPLACE`确认数据已被替换，或`NOT_STORED`表示键不存在。
更新数据	使用`increment`或`decrement`命令在数值型值上进行原子性加减操作。
更新确认	Memcached返回更新后的值或错误代码，如`NOT_STORED`或`VALUE`。

Memcached的分布式架构是其最强大的特性之一。在一个分布式环境中，数据被分割并存储在多台Memcached服务器上。这种架构不仅提高了数据的读写速度，还增加了系统的容错性和可扩展性。

当数据存储时，Memcached使用哈希算法（通常是CRC32）来计算键的哈希值，然后根据这个哈希值决定数据应该存储在哪一台服务器上。这称为哈希环技术，确保了数据的均匀分布。

客户端使用相同的哈希算法来确定数据的位置，从而可以直接向正确的服务器发出请求。这种设计消除了中心化的瓶颈，提高了系统的整体性能。

如果某个服务器宕机或离线，Memcached的分布式特性意味着其他服务器仍然可以提供服务，虽然可能暂时无法访问存储在故障服务器上的数据。为了提高可用性，可以采用复制或分片策略，但这通常需要更复杂的架构和管理。

特性	描述
哈希环	使用CRC32或其他哈希算法将键映射到特定的服务器上，实现数据的均匀分布。
节点选择	根据哈希值确定数据所在的节点，客户端直接向该节点请求数据。
负载均衡	数据分布在多台服务器上，每台服务器承担相似的请求负载。
容错机制	如果某节点不可用，请求将重定向至其他节点，可能暂时无法访问特定数据。
扩展性	可以通过添加更多节点来扩展缓存容量和吞吐量，无需停机。
分布式更新	当数据更新时，必须确保所有相关节点上的缓存数据同步更新，以避免数据不一致。
节点加入/离开	节点加入或离开集群时，数据需要重新分配以保持负载均衡。
一致性哈希	在节点变化时，使用一致性哈希算法尽量减少数据迁移量，减少系统中断时间。

Memcached支持数据的过期机制，这是通过设置一个生存时间（TTL，Time To Live）来实现的。当数据存储时，可以指定一个过期时间，单位为秒。一旦过期时间到达，数据将从缓存中自动删除，以便释放内存空间给新的数据。

过期时间的设定是可选的，如果没有指定，数据将一直保留在缓存中，直到达到内存容量限制或显式删除。这种机制有助于防止缓存中存储过多的过时数据，同时也可以用来实现临时的缓存策略。

值得注意的是，Memcached的数据过期不是实时的。在过期时间到达时，数据并不会立即被物理删除，而是标记为“过期”。只有当缓存空间不足，需要为新数据腾出空间时，Memcached才会清理过期的数据。这一过程称为“最近最少使用”（LRU，Least Recently Used）淘汰策略。

机制	描述
生存时间(TTL)	数据项在内存中存活的时间，以秒为单位，过期后数据自动从缓存中移除。
过期检查	Memcached定期检查数据项是否过期，过期的数据项会被标记为无效。
LRU淘汰	当缓存空间不足时，采用最近最少使用（LRU）策略淘汰过期或最久未使用的数据项。
清理策略	清理过期数据项的过程是非实时的，通常在内存压力大时触发，以腾出空间给新的数据项。
异步过期	数据项不会在过期时间到达的那一刻立即被删除，而是等待下一次清理周期才真正从缓存中移除。
手动清除	应用程序可以显式地使用`flush_all`命令清除所有数据，或使用`delete`命令清除特定的数据项。