下面是《memcached全面剖析》的第二部分。
發表日：2008/7/9
作者：前坂徹(Toru Maesaka)
原文鏈接：http://gihyo.jp/dev/feature/01/memcached/0002
我是mixi株式會社研究開發組的前坂徹。
上次的文章介紹了memcached是分布式的高速緩存服務器。
本次將介紹memcached的內部構造的實現方式，以及內存的管理方式。
另外，memcached的內部構造導致的弱點也將加以說明。
Slab Allocation機制：整理內存以便重復使用
最近的memcached默認情況下采用了名為Slab Allocator的機制分配、管理內存。
在該機制出現以前，內存的分配是通過對所有記錄簡單地進行malloc和free來進行的。
但是，這種方式會導致內存碎片，加重操作系統內存管理器的負擔，最壞的情況下，
會導致操作系統比memcached進程本身還慢。Slab Allocator就是為解決該問題而誕生的。
下面來看看Slab Allocator的原理。下面是memcached文檔中的slab allocator的目標：
the primary goal of the slabs subsystem in memcached was to
eliminate memory fragmentation issues totally by using fixed-size
memory chunks coming from a few predetermined size classes.
也就是說，Slab Allocator的基本原理是按照預先規定的大小，將分配的內存分割成特定長度的塊，
以完全解決內存碎片問題。
Slab Allocation的原理相當簡單。 將分配的內存分割成各種尺寸的塊（chunk），
并把尺寸相同的塊分成組（chunk的集合）（圖1）。
圖1 Slab Allocation的構造圖
而且，slab allocator還有重復使用已分配的內存的目的。
也就是說，分配到的內存不會釋放，而是重復利用。
Slab Allocation的主要術語
Page
分配給Slab的內存空間，默認是1MB。分配給Slab之后根據slab的大小切分成chunk。
Chunk
用于緩存記錄的內存空間。
Slab Class
特定大小的chunk的組。
在Slab中緩存記錄的原理
下面說明memcached如何針對客戶端發送的數據選擇slab并緩存到chunk中。
memcached根據收到的數據的大小，選擇最適合數據大小的slab（圖2）。
memcached中保存著slab內空閑chunk的列表，根據該列表選擇chunk，
然后將數據緩存于其中。
圖2 選擇存儲記錄的組的方法
實際上，Slab Allocator也是有利也有弊。下面介紹一下它的缺點。
Slab Allocator的缺點
Slab Allocator解決了當初的內存碎片問題，但新的機制也給memcached帶來了新的問題。
這個問題就是，由于分配的是特定長度的內存，因此無法有效利用分配的內存。
例如，將100字節的數據緩存到128字節的chunk中，剩余的28字節就浪費了（圖3）。
圖3 chunk空間的使用
對于該問題目前還沒有完美的解決方案，但在文檔中記載了比較有效的解決方案。
The most efficient way to reduce the waste is to use a list of size
classes that closely matches (if that's at all possible) common sizes
of objects that the clients of this particular installation of
memcached are likely to store.
就是說，如果預先知道客戶端發送的數據的公用大小，或者僅緩存大小相同的數據的情況下，
只要使用適合數據大小的組的列表，就可以減少浪費。
但是很遺憾，現在還不能進行任何調優，只能期待以后的版本了。
但是，我們可以調節slab class的大小的差別。
接下來說明growth factor選項。
使用Growth Factor進行調優
memcached在啟動時指定 Growth Factor因子（通過-f選項），
就可以在某種程度上控制slab之間的差異。默認值為1.25。
但是，在該選項出現之前，這個因子曾經固定為2，稱為“powers of 2”策略。
讓我們用以前的設置，以verbose模式啟動memcached試試看：
$ memcached -f 2 -vv
下面是啟動后的verbose輸出：
slab class 1: chunk size 128 perslab 8192
slab class 2: chunk size 256 perslab 4096
slab class 3: chunk size 512 perslab 2048
slab class 4: chunk size 1024 perslab 1024
slab class 5: chunk size 2048 perslab 512
slab class 6: chunk size 4096 perslab 256
slab class 7: chunk size 8192 perslab 128
slab class 8: chunk size 16384 perslab 64
slab class 9: chunk size 32768 perslab 32
slab class 10: chunk size 65536 perslab 16
slab class 11: chunk size 131072 perslab 8
slab class 12: chunk size 262144 perslab 4
slab class 13: chunk size 524288 perslab 2
可見，從128字節的組開始，組的大小依次增大為原來的2倍。
這樣設置的問題是，slab之間的差別比較大，有些情況下就相當浪費內存。
因此，為盡量減少內存浪費，兩年前追加了growth factor這個選項。
來看看現在的默認設置（f=1.25）時的輸出（篇幅所限，這里只寫到第10組）：
slab class 1: chunk size 88 perslab 11915
slab class 2: chunk size 112 perslab 9362
slab class 3: chunk size 144 perslab 7281
slab class 4: chunk size 184 perslab 5698
slab class 5: chunk size 232 perslab 4519
slab class 6: chunk size 296 perslab 3542
slab class 7: chunk size 376 perslab 2788
slab class 8: chunk size 472 perslab 2221
slab class 9: chunk size 592 perslab 1771
slab class 10: chunk size 744 perslab 1409
可見，組間差距比因子為2時小得多，更適合緩存幾百字節的記錄。
從上面的輸出結果來看，可能會覺得有些計算誤差，
這些誤差是為了保持字節數的對齊而故意設置的。
將memcached引入產品，或是直接使用默認值進行部署時，
最好是重新計算一下數據的預期平均長度，調整growth factor，
以獲得最恰當的設置。內存是珍貴的資源，浪費就太可惜了。
接下來介紹一下如何使用memcached的stats命令查看slabs的利用率等各種各樣的信息。
查看memcached的內部狀態
memcached有個名為stats的命令，使用它可以獲得各種各樣的信息。
執行命令的方法很多，用telnet最為簡單：
$ telnet 主機名 端口號
連接到memcached之后，輸入stats再按回車，即可獲得包括資源利用率在內的各種信息。
此外，輸入"stats slabs"或"stats items"還可以獲得關于緩存記錄的信息。
結束程序請輸入quit。
這些命令的詳細信息可以參考memcached軟件包內的protocol.txt文檔。
$ telnet localhost 11211
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
stats
STAT pid 481
STAT uptime 16574
STAT time 1213687612
STAT version 1.2.5
STAT pointer_size 32
STAT rusage_user 0.102297
STAT rusage_system 0.214317
STAT curr_items 0
STAT total_items 0
STAT bytes 0
STAT curr_connections 6
STAT total_connections 8
STAT connection_structures 7
STAT cmd_get 0
STAT cmd_set 0
STAT get_hits 0
STAT get_misses 0
STAT evictions 0
STAT bytes_read 20
STAT bytes_written 465
STAT limit_maxbytes 67108864
STAT threads 4
END
quit
另外，如果安裝了libmemcached這個面向C/C++語言的客戶端庫，就會安裝 memstat 這個命令。
使用方法很簡單，可以用更少的步驟獲得與telnet相同的信息，還能一次性從多臺服務器獲得信息。
$ memstat --servers=server1,server2,server3,...
libmemcached可以從下面的地址獲得：
查看slabs的使用狀況
使用memcached的創造著Brad寫的名為memcached-tool的Perl腳本，可以方便地獲得slab的使用情況
（它將memcached的返回值整理成容易閱讀的格式）。可以從下面的地址獲得腳本：
使用方法也極其簡單：
$ memcached-tool 主機名:端口 選項
查看slabs使用狀況時無需指定選項，因此用下面的命令即可：
$ memcached-tool 主機名:端口
獲得的信息如下所示：
# Item_Size Max_age 1MB_pages Count Full?
1 104 B 1394292 s 1215 12249628 yes
2 136 B 1456795 s 52 400919 yes
3 176 B 1339587 s 33 196567 yes
4 224 B 1360926 s 109 510221 yes
5 280 B 1570071 s 49 183452 yes
6 352 B 1592051 s 77 229197 yes
7 440 B 1517732 s 66 157183 yes
8 552 B 1460821 s 62 117697 yes
9 696 B 1521917 s 143 215308 yes
10 872 B 1695035 s 205 246162 yes
11 1.1 kB 1681650 s 233 221968 yes
12 1.3 kB 1603363 s 241 183621 yes
13 1.7 kB 1634218 s 94 57197 yes
14 2.1 kB 1695038 s 75 36488 yes
15 2.6 kB 1747075 s 65 25203 yes
16 3.3 kB 1760661 s 78 24167 yes
各列的含義為：
| 列 |
含義 |
| # |
slab class編號 |
| Item_Size |
Chunk大小 |
| Max_age |
LRU內最舊的記錄的生存時間 |
| 1MB_pages |
分配給Slab的頁數 |
| Count |
Slab內的記錄數 |
| Full? |
Slab內是否含有空閑chunk |
從這個腳本獲得的信息對于調優非常方便，強烈推薦使用。
內存存儲的總結
本次簡單說明了memcached的緩存機制和調優方法。
希望讀者能理解memcached的內存管理原理及其優缺點。
下次將繼續說明LRU和Expire等原理，以及memcached的最新發展方向——
可擴充體系（pluggable architecher））。