大型网站优化-Memcache技术

memory+cache 内存缓存

memcache简介

memcache是一套分布式的高速缓存系统，由LiveJournal的Brad Fitzpatrick开发，目前被许多网站使用以提升网站的访问速度，尤其对于一些大型的、需要频繁访问数据库的网站访问速度提升效果十分显著 。这是一套开放源代码软件，以BSD license授权发布。

官网：http://memcached.org/

分布式：多台Memcache服务器来管理数据的架构。

缓存系统：将用户查询的数据缓存到内存之中，方便下次直接从内存中获取。减少了磁盘IO的开销。

什么是nosql？（sql 关系型数据库）

答：MySQL 叫做关系型数据库（主要的特点是都是一个二维表结构（表中的行和列），表与表之间是由关系的）（Oracle（Java）、db2、sqlserver）

非关系型数据：就是不使用sql语句作为查询的数据库（保存数据的系统），并且没有严格意义上的二维表的概念。它的数据结构全部是一张巨大的hash表（key-value）

hash表好处： 时间复杂度是 0（1）：随着数据的增加，查询时间不会存在数量级（1s）的变化。

hash表坏处： hash碰撞 不同 key 对应同一个值

1. 使用原理

   在使用的时候，先从nosql数据库里面获取，有的话直接返回，没有的话就先从MySQL获取，然后缓存到memcache里面，下次直接从memcache里面返回。

2. memcache与MySQL的区别
3. 没有使用SQL语句
4. memcache没有MySQL中的表的概念，都是使用key-value来保存的
5. memcache的数据是保存到内存中的，断电即丢失（如何保存数据的持久性？）

   1. MemcacheDB可以持久化保存数据。2. repcached也可以实现数据的持久化

   注意：NoSQL是否能够取到MySQL（关系型数据库）？

   答： nosql的存在永远不是为了取代MySQL（关系型数据），是关系型数据的一个补充。因为关系型数据库有它独特的地方（事务，存储过程）。

    

   Nosql主要使用的场景：社交型网站（人人、校内、豆瓣）

    

   课下了解：什么是C10K问题？C100K

   答：c10k 代表的含义就是当网站的并发数达到 1w 时候网站的整体架构会全部的更新，就叫做c10k，目前已经被NoSQL数据库完美的解决。但是又有 c100k 的问题？

   架构网站：

   http://www.infoq.com/

    

   memcache安装（使用端口11211）

6. Windows下安装

   1.1 直接将memcached文件放置到某一文件夹下（千万不要使用中文命名的文件夹 | 空格）

   

   1.2 在cmd下执行如下命令（不能关闭）可以使用Ctrl+c 终止

   memcache的端口 11211

   

   1.3 查看是否启动（新开一个窗口），执行如下命令

   # netstat -an

   

7. Linux下安装
   1. putty--》远程连接Linux的一个客户端工具
      1. 注意：一般连接不上（防火墙）
         1. 关闭防火墙

         

   2. selinux没有关闭

      

         

      让selinux立即生效

      

   2.1 环境准备

   在Linux环境下，需要gcc、g-c++、make（makefile）、cmake、autoconfig（configure）、libtool等工具

   在Linux下联网的情况下，使用如下命令

   # yum install -y gcc make cmake autoconfig libtool

   -y 不需要使用确认交互式

   2.2 编译安装memcached

   memcached依赖于 libevent库，因此需要先安装，分别到各自的官网下载稳定版

   libevetnt官网：http://libevent.org/

   memcache官网：http://memcached.org/

   先编译安装libevent，在编译安装memcached，同时在安装memcached需要指定libevent的安装路径

   具体步骤：

   上传

   

8. 先下载libevent，解压，并安装（一般Linux下软件安装都是放在 /usr/local/src目录下，安装的软件一般放在/usr/local/NAME）

   # ./configure --prefix=/usr/local/libevent && make && make install

   

   

   

   b. 安装memcache，解压、编译、安装

   # ./configure --prefix=/usr/local/memcached --with-libevent=/usr/local/libevent && make && make install

   

   

   

   2.3 memcached的启动

   # /usr/local/memcached/bin/memcached -m 64 -p 11211 -u nobody -vv

   

   注意：此时memcached成功启动，但把信息输出到控制台。

   如果想让memcached作为服务在后台启动，只需要加上-d选项（daemon 后台）

   # /usr/local/memcached/bin/memcached -m 64 -p 11211 -u nobody -d

   

   如何查看服务器是否正常启动？

   # ps axu | grep memcached

   

   如果需要查看参数信息，使用 memcached -h 查看帮助：

   

   操作memcache

   memcached的客户端与服务器端的通信很简单，基于文本的协议，类似http协议，可以直接使用Telnet来做交互

   使用Telnet操作（quit退出）

   # telent 服务器的IP 11211

9. Windows下

   

   连接之后 使用 ctrl + ] 打开Telnet的回显

10. Linux下

    

    2. 基本命令：

    学习memcache的增删改查命令：

    add key flag expire length

    key: 名称

    flag: 1 memcache按照字符串的方式保存

    expire：过期时间，memcache时间

    length：数据长度（B）

    ※add 增加

    # add name 1 0 2 # 在memcache服务器上添加一个key为的name值 长度为2个字节，有效期长期有效

    

    如何理解expire

    设置缓存的有效期，有三种格式

11. 设置秒数，从设置开始，n秒后失效
12. 时间戳，到指定时间戳后失效
13. 设置为0，不自动失效（特别注意，不是永久有效。a. 在memcache安装时候，指定了一个最长的有效时间，默认是30天（源代码） b. 可能不到30天，就会被挤出去）

    最近最少使用原则

    ※delete 删除

    # delete key

    

    ※replace 替换

    # replace key flag expire length

    

    ※get 获取

    # get key

    

    ※set 如果数据有 replace ，没有则 add

    # set key flag expire length

    name存在：

    

    age不存在：

    

    ※incr 增加

    # incr age NUMBER

    

    ※decr 减少

    # decr age NUMBER

    

    ※stats 统计memcache服务器信息

    # stats

    

    ※flush_all 清空所有数据

    # flush_all

    

    使用php操作memcache

14. Windows下
15. 到（http://downloads.php.net/pierre/）下载扩展dll文件
16. 将该文件放到php的extension_dir 对应的目录下
17. 修改php.ini文件，加入 extension=php_memcache.dll，引入该文件
18. 重启Apache
19. Linux下 （在Linux下如何为php开启一个扩展，说一下通用方案）
    1. 到（http://pecl.php.net/package/memcache）去下载扩展源码

    beta ：测试版：一般都有一些小bug，但是需要用户去使用发现，如果有问题，可以给官方反馈。然后在做修复

    alpha：内部测试版：内部在开发的时候，使用的版本，一般这个版本bug众多。但是这个版本往往有新的功能加入。（一般也是新公司才试试）alpha版本有一些补偿。

    stable：稳定版：基本无bug，能够稳定的运行。

    ftp使用的注意事项:

20. vsftpd 是否正常的开启 service vsftpd status
21. 一般都只能使用普通用户连接ftp(不能root来连接ftp)获取使用 sudo
22. 自己家目录的大小空间不够（上传文件成功，但是显示的大小为0）
23. 防火墙是否关闭（iptables -F 关闭）（iptables -L）

     

     

    # cls

    # cd

    # vim .bashrc

    

    Linux下载末行模式下

    # :x 小写 退出 wq

    linux在编辑模式下

    # Z 大写

    1. 一般下载到 /usr/local/src 目录下，解压，并进入该文件夹内

    

    1. 使用当前php的phpize命令创建configure文件（必须在扩展目录内）

    # /usr/local/php/bin/phpize 绝对路径phpize

    

    

    d. 利用上面生成的configure文件，收集系统信息 不需要指定安装路径

    # ./configure --with-php-config=/usr/local/php/bin/php-config 告诉它如何去找php配置文件

    

    e. 执行编译、安装

    # make && make install

    

    

    注意：可以查看上述命令执行完成之后的结构

    # ls /usr/local/php/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20090626/

    

    1. 修改php.ini配置文件，重启Apache

     

    注意：在Linux下，如何查看php.ini配置文件的位置？

    解决：phpinfo();

    

     

    注意：在Linux下，修改配置文件之前，一定要备份

    php.ini-backup-2016-1-12

     

    注意：.so是什么文件？

    .so是Linux下的共享对象，类型Windows下的.dll文件

     

    

     

     

    注意：Linux下，关闭一个服务 可以使用

    # pkill -9 httpd

    # ps aux | grep httpd

    #ps uax | grep httpd

     

    将上面生成的地址增加到php.ini配置文件，如下

    extension_dir=/usr/local/php/lib/php/extensions/no-debug-non-zts-20090626/

    extension=memcacahe.so

    

    1. 测试

    建立一个test.php文件，测试php是否有memcache的一个模块

    

    

    php操作memcache，保存并获取值

    

    memcached的内存管理与删除机制

    注意：Memcache最大的value也只能是1M的空间。

    注意：内存碎片化永远都存在，只是哪一种方式可以使得内存碎片最小。

    1. 什么是内存碎片化？

    在使用这种内存缓存系统的时候，由于不断的申请，释放，就会形成一些很小的内存片段，无法被利用，这种现象就叫做，内存的碎片化。这个小红块就是操作系统无法使用的空间。

    

24. 如何解决？

    memcache利用slab allocator的方式来管理（每个slab class大小为1M）

    最小的单元叫做 chunk（小块）：存放数据的仓库

    多个小单元组成一个chunks：多个小块组成（所有的小块的大小全部一致）

    每个 slab class的大小为1M

    

25. memcache如何选择合适的大小？

    

    注意：如果 122Bytes的slab装满了，现在有一个100Bytes的数据来了，存到哪里去？

    答：肯定不会存在144，还是存在122这个chunk里面，利用LRU算法来实现数据存储。

     

26. 固定chunk带来的内存浪费，22B

    

     

27. factor调优

    memcached在启动的时候，会按照一定的大小来组织slab class，可以通过-f 来指定

    默认是1.25，相邻chunk之间的比值就是增加因子。可以根据自己网站的业务调整缓存因子的大小。

    是因为每个业务不一样，所需要的最小的chunk是不一样的。这个参数使得我们的系统变得更加适应自己的业务，因为数据可以自己设定大小。

     

28. memcache的惰性删除

    memcached内部不会监视记录是否过期，而是在get时查看记录的时间戳，检查记录是否过期。这种行为被称为lazy（惰性）expiration。因此，好处是memcached不会在过期监视上耗费CPU时间。

    比如：有 set(name, asion, 0, 3600) 过了3600秒就失效，失效后，并不会自动删除，只有当get查询时，检测是否过期，如果过期则删除。

    例如 # add name 1 8 2 当8s后，是失效，还是不存在？通过stats分析

    分析：是失效你，而不是不存在，只有在下一次去获取时候，memcache才会去检测它是否过期，过期了就删除

     

29. memcache的LRU算法

    memcached会优先使用已超时的记录的空间，但即使如此，也会发生追加新记录时空间不足的情况，此时就要使用名为 Least Recently Used（LRU）机制来分配空间。

    顾名思义，这是删除"最近最少使用"的记录的机制。因此，当memcached的内存空间不足时（无法从slab class 获取到新的空间时），就从最近未被使用的记录中搜索，并将其空

    间分配给新的记录。从缓存的实用角度来看，该模型十分理想。

     

    当mecache里面的数据空间（默认是64M）已经占满了，再继续存储数据能否存储呢？

    答:能存储，要删除过期的数据，如果都没有过期，则删除最不活跃的数据，腾出空间给后面添加数据。

    例如：以122Bytes的slab举例，当数据装满后，如果来了一个100Bytes数据，如何处理？（即使永久有效，也会被踢）

    分析：内存的管理 LRU算法 、FIFO算法

     

30. memcache的一些参数 Ctrl+C

    注意：在vim下如果输入了 ctrl+s 可以使用 ctrl+q 退出

    -p 监听的端口

    -l 连接的IP地址, 默认是本机

    -d start 启动memcached服务

    -d restart 重起memcached服务

    -d stop|shutdown 关闭正在运行的memcached服务

    -d install 安装memcached服务

    -d uninstall 卸载memcached服务

    -u 以的身份运行 (仅在以root运行的时候有效)

    -m 最大内存使用，单位MB。默认64MB

    注意：如果系统是32位的，则最大限制为2G，如果系统是64位，则无限制。

    -M 内存耗尽时返回错误，而不是删除项

    -c 最大同时连接数，默认是1024

    -f 块大小增长因子，默认是1.25

    -n 最小分配空间，key+value+flags默认是48

    -h 显示帮助

    -v 输出警告和错误信息

    -vv 打印客户端的请求和返回信息

    -i 打印memcached和libevent的版权信息

     

    实际使用场景

    保存：1. 文件 2. mysql

    问题：如果一个文件夹下session文件过多，检索变慢，如何处理？

    答：分层处理

    使用Memcache来保存，Memcache使用分布式来保存（拿多台Memcache做存储）

    使用memcache保存session

    1. 修改php.ini文件，配置信息如下

        session.save_handler = memcache #代表使用memcache保存session

        session.save_path ="tcp://127.0.0.1:11211" # 指定memcache服务器的地址和端口

31. 测试

    1. 开启session，保存session

    

32. 从Memcache获取session

    

    高级特性

    分布式memcache配置

    什么是分布式？

    由于单台memcache的服务能力有限，可以使用多台memcache来提供缓存的功能，这种架构就叫做memcache的分布式缓（集群）存系统

    如何实现？

    可以这样理解，如何将数据分散答各台Memcache服务器上。

    在客户端实现分布式，在数据保存之前，根据一定的算法，将数据保存到那台memcache服务器上，在获取数据的时候，按照前面相同的算法去对应的memcache服务器上获取数据

    分布式算法

33. 取摸算法

    将key的值对服务器的台数取余，然后将对应的value值保存到对应的余数的那台memcache服务器上，一般这个hash函数 crc32( key ) % 3

    crc32()这个函数可以使得一个字符串变成一个32位的整数

     

    坏处：当某一台服务器宕机或者需要增加一台服务器的时候，这个时候缓存数据基本全部失效，因为除数变了。 不严格的公式， 命中率 = 取到数据/总数 1/N N代表服务器的台数

     

    引发出来的问题：当memcache宕机之后，缓存数据失效，这个时候MySQL的压力会骤增，

    这个时候，MySQL会宕机，然后在重启MySQL，MySQL会在短时期内再次宕机，然后，稍微延迟一点（缓存已经重新建立了一部分），又宕机。随着时间的慢慢推移，MySQL基本上趋于稳定，缓存系统成功建立。因为缓存数据不存在，所有的请求全部要转向MySQL来提供，这种现象就叫做memcache的雪崩现象。

     

    概图：

    

     

     

34. 一致性hash实现分布式

    

35. 假想有一个圆环，分布着从 0 到 2^32 这么多个正整数
36. 然后在将服务器的节点数通过hash函数（crc32()）运算后，按照顺时针的方向映射到上面的圆环上
37. 将需要存储的数据的key也按照上面的hash函数运算后，按照顺时针的方向保存到一个不比自己小的节点上

    注意：只要是memcache宕机，就一定会有数据的丢失。但是要想办法让数据丢失的最少，使用一致性hash，即使有一台服务器宕机，也只是影响一台服务器上的数据。

    虚拟节点：分担任务

    缓存雪崩现象

    雪崩造成的原因？

38. 由于算法不当，取摸算法，造成大量缓存失效，会引发雪崩

    解决方案：一致性hash算法

39. 缓存时间都是同一时间，缓存系统会在同一时间全部失效，这个也会造成雪崩

    解决方案：缓存时间设置成一个范围内的随机时间（3-9小时）

     

    由于某个memcache节点的缓存数据失效，导致其他memcache节点的缓存命中率下降，缓存中缺失的数据会去MySQL数据库中查询，短时期内，造成了MySQL服务器压力巨大，造成宕机，就叫做缓存雪崩现象。

    当重启MySQL之后，短期内再次宕机，但缓存数据已经建立了一部分，在MySQL反复多次启动之后，缓存全部重建完毕，MySQL不再宕机趋于稳定。

    解决方案：把缓存的时间设置成一个范围内的随机值（3-9小时），这样就在不同的时间段失效，把重建的工作分担到不同的时间上。

    memcache如何做高可用

40. 使用repcached实现，全称 replication cached是由日本人发明的memcached的高可用性技术，简称复制缓冲区技术。
41. MemcacheDB是一个分布式、key-value形式的持久存储系统。由sina人员开发。它不是一个缓存组件，而是一个基于对象存取的、可靠的、快速的持久存储引擎。协议跟memcache一致（不完整），所以很多memcached客户端都可以跟它连接。MemcacheDB采用Berkeley DB作为持久存储组件，故很多Berkeley DB的特性的他都支持。扩展
42. 如何在Linux下给一个php添加一个扩展，说出通用步骤？

    答：

    1. 下载对应扩展源码
    2. 上传放入/usr/local/src/
    3. 解压 并进入文件夹内
    4. 在文件夹内执行 绝对路径下的 phpize /usr/local/php/bin/phpize
    5. 执行configure ./configure --with-php-config=/usr/local/php/bin/php-config
    6. make && make install
    7. 生成一个目录文件，文件下面有一个.so 结尾的文件
    8. 修改php.ini文件
    9. 增加 extension_dir = 目录 extension= .so文件
    10. 重启Apache
    11. 添加 phpinfo()
    12. 浏览器查看
43. memcache的安全性如何解决？

    答：

    由于memcache的本身设计就是极为简洁的，根本没有设置权限方面的限制。为什么不设置权限？ 只提供缓存功能，为了精简

44. 放在内网 192.168.1.110 内网IP外网无法访问
45. 写一个防火墙验证规则，只允许自己规定IP的包可以转进来，其他的全部丢弃

    192.168.1.221 ---224

    3. 当使用文件保存session文件时候，如果文件过多，如何处理？

    一般来说，超过65535个session文件的时候，这个时候session的获取就会变得异常缓慢，意味php代码执行很慢，如何解决？

    答：

    分层处理： 一个文件夹下建立A-Z开头的文件夹 然后A_Z在建立

    使用memcache处理： 单台memcache处理能力有限，就使用分布式memcache来处理

46. 如何理解负载均衡集群也是高可用集群，但有不是？

    答：负载均衡集群提供了高可用的能力，如果某一台宕机之后，还是可以提供正常的服务，只是服务提供的有些吃力而已。

    因为负载均衡集群不提供keepalive的机制。监控机制

    案例：

    在项目中如何使用Memcache？

    Memcache存在的意义就是缓存数据，减轻MySQL的压力。

47. 书写一个列表页

    

48. 详情页

    

    

    扩展

49. Linux下安装一个php的扩展的通用方法

    答：

50. 下载对应的扩展的源码 http://pecl.php.net/package/memcache
51. 将对于的扩展上传到Linux服务器上，放在（/usr/local/src/下）
52. 执行 tar -zxvf NAME.tar.gz
53. cd NAME
54. 执行绝对路径下的phpize命名 （/usr/local/php/bin/phpize）必须在扩展包的目录内
55. 执行 ./configure --with-php-config=/usr/local/php/bin/php-config （--with-php-config=绝对路径下的php-config的路径，并且不需要指定安装的路径）
56. make && make install
57. 会生成一个目录，在个目录里面有对于的NAME.so文件
58. 去修改php.ini的配置文件，增加两行信息

    extension_dir='上面生成的目录'

    extension='NAME.so'

59. 重启Apache，然后使用phpinfo()函数测试一下，在浏览器输入地址查看，搜索如果有Memcache，代表扩展成功的开启。

Memcached 的详细介绍：请点这里
Memcached 的下载地址：请点这里