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    架构师之路(六)之memcache内核探究

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    2 月 21, 2021 #架构师之路

    memcache是互联网分层架构中,使用最多的的KV缓存。面试的过程中,memcache相关的问题几乎是必问的,关于memcache的面试提问,你能回答到哪一个层次呢?

    第一类问题:知道不知道

    这一类问题,考察用没用过,知不知道,相对比较好回答。

    关于memcache一些基础特性,使用过的小伙伴基本都能回答出来:

    (1)mc的核心职能是KV内存管理,value存储最大为1M,它不支持复杂数据结构(哈希、列表、集合、有序集合等);

    (2)mc不支持持久化;

    (3)mc支持key过期;

    (4)mc持续运行很少会出现内存碎片,速度不会随着服务运行时间降低;

    (5)mc使用非阻塞IO复用网络模型,使用监听线程/工作线程的多线程模型;

    面对这类封闭性的问题,一定要斩钉截铁,毫无犹豫的给出回答。

    第二类问题:为什么(why),什么(what)

    这一类问题,考察对于一个工具,只停留在使用层面,还是有原理性的思考。

    memcache为什么不支持复杂数据结构?为什么不支持持久化?

    业务决定技术方案,mc的诞生,以“以服务的方式,而不是库的方式管理KV内存”为设计目标,它颠覆的是,KV内存管理组件库,复杂数据结构与持久化并不是它的初衷。

    当然,用“颠覆”这个词未必不合适,库和服务各有使用场景,只是在分布式的环境下,服务的使用范围更广。设计目标,诞生背景很重要,这一定程度上决定了实现方案,就如redis的出现,是为了有一个更好用,更多功能的缓存服务。

    画外音:我很喜欢问这个问题,大部分候选人面对这个没有标准答案的问题,状态可能是蒙圈。

    memcache是用什么技术实现key过期的?

    懒淘汰(lazy expiration)。

    memcache为什么能保证运行性能,且很少会出现内存碎片?

    提前分配内存。

    memcache为什么要使用非阻塞IO复用网络模型,使用监听线程/工作线程的多线程模型,有什么优缺点?

    目的是提高吞吐量。

    多线程能够充分的利用多核,但会带来一些锁冲突。

    面对这类半开放的问题,有些并没有标准答案,一定要回答出自己的思考和见解。

    第三类问题:怎么做(how) | 文本刚开始

    这一类问题,探测候选人理解得有多透,掌握得有多细,对技术有多刨根究底。

    画外音:所谓“好奇心”,真的很重要,只想要“一份工作”的技术人很难有这种好奇心。

    memcache是什么实现内存管理,以减小内存碎片,是怎么实现分配内存的?

    开讲之前,先解释几个非常重要的概念:

    chunk:它是将内存分配给用户使用的最小单元。

    item:用户要存储的数据,包含key和value,最终都存储在chunk里。

    slab:它会管理一个固定chunk size的若干个chunk,而mc的内存管理,由若干个slab组成。

    画外音:为了避免复杂性,本文先不引入page的概念了。

    如上图所示,一系列slab,分别管理128B,256B,512B…的chunk内存单元。

    将上图中管理128B的slab0放大:

    能够发现slab中的一些核心数据结构是:

    • chunk_size:该slab管理的是128B的chunk
    • free_chunk_list:用于快速找到空闲的chunk
    • chunk[]:已经预分配好,用于存放用户item数据的实际chunk空间

    画外音:其实还有lru_list。

    假如用户要存储一个100B的item,是如何找到对应的可用chunk的呢?

    会从最接近item大小的slab的chunk[]中,通过free_chunk_list快速找到对应的chunk,如上图所示,与item大小最接近的chunk是128B。

    为什么不会出现内存碎片呢?

    拿到一个128B的chunk,去存储一个100B的item,余下的28B不会再被其他的item所使用,即:实际上浪费了存储空间,来减少内存碎片,保证访问的速度。

    画外音:理论上,内存碎片几乎不存在。

    memcache通过slab,chunk,free_chunk_list来快速分配内存,存储用户的item,那它又是如何快速实现key的查找的呢?

    没有什么特别算法:

    • 通过hash表实现快速查找
    • 通过链表来解决冲突

    用最朴素的方式,实现key的快速查找。

    随着item的个数不断增多,hash冲突越来越大,hash表如何保证查询效率呢?

    当item总数达到hash表长度的1.5倍时,hash表会动态扩容,rehash将数据重新分布,以保证查找效率不会不断降低。

    扩展hash表之后,同一个key在新旧hash表内的位置会发生变化,如何保证数据的一致性,以及如何保证迁移过程服务的可用性呢(肯定不能加一把大锁,迁移完成数据,再重新服务吧)

    哈希表扩展,数据迁移是一个耗时的操作,会有一个专门的线程来实施,为了避免大锁,采用的是“分段迁移”的策略。

    当item数量达到阈值时,迁移线程会分段迁移,对hash表中的一部分桶进行加锁,迁移数据,解锁

    • 一来,保证不会有长时间的阻塞,影响服务的可用性
    • 二来,保证item不会在新旧hash表里不一致

    新的问题来了,对于已经存在与旧hash表中的item,可以通过上述方式迁移,那么在item迁移的过程中,如果有新的item插入,是应该插入旧hash表还是新hash表呢?

    memcache的做法是,判断旧hash表中,item应该插入的桶,是否已经迁移至新表中:

    • 如果已经迁移,则item直接插入新hash表
    • 如果还没有被迁移,则直接插入旧hash表,未来等待迁移线程来迁移至新hash表

    为什么要这么做呢,不能直接插入新hash表吗?

    memcache没有给出官方的解释,楼主揣测,这种方法能够保证一个桶内的数据,只在一个hash表中(要么新表,要么旧表),任何场景下都不会出现,旧表新表查询两次,以提升查询速度。

    memcache是怎么实现key过期的,懒淘汰(lazy expiration)具体是怎么玩的?

    实现“超时”和“过期”,最常见的两种方法是:

    • 启动一个超时线程,对所有item进行扫描,如果发现超时,则进行超时回调处理
    • 每个item设定一个超时信号通知,通知触发超时回调处理

    这两种方法,都需要有额外的资源消耗。

    mc的查询业务非常简单,只会返回cache hit与cache miss两种结果,这种场景下,非常适合使用懒淘汰的方式。

    懒淘汰的核心是:

    • item不会被主动淘汰,即没有超时线程,也没有信号通知来主动检查
    • item每次会查询(get)时,检查一下时间戳,如果已经过期,被动淘汰,并返回cache miss

    举个例子,假如set了一个key,有效期100s:

    • 在第50s的时候,有用户查询(get)了这个key,判断未过期,返回对应的value值
    • 在第200s的时候,又有用户查询(get)了这个key,判断已过期,将item所在的chunk释放,返回cache miss

    这种方式的实现代价很小,消耗资源非常低:

    • 在item里,加入一个过期时间属性
    • 在get时,加入一个时间判断

    内存总是有限的,chunk数量有限的情况下,能够存储的item个数是有限的,假如chunk被用完了,该怎么办?

    仍然是上面的例子,假如128B的chunk都用完了,用户又set了一个100B的item,要不要挤掉已有的item?

    要。

    这里的启示是:

    (1)即使item的有效期设置为“永久”,也可能被淘汰;

    (2)如果要做全量数据缓存,一定要仔细评估,cache的内存大小,必须大于,全量数据的总大小,否则很容易采坑;

    挤掉哪一个item?怎么挤?

    这里涉及LRU淘汰机制。

    如果操作系统的内存管理,最常见的淘汰算法是FIFO和LRU:

    • FIFO(first in first out):最先被set的item,最先被淘汰
    • LRU(least recently used):最近最少被使用(get/set)的item,最先被淘汰

    使用LRU算法挤掉item,需要增加两个属性:

    • 最近item访问计数
    • 最近item访问时间

    并增加一个LRU链表,就能够快速实现。

    画外音:所以,管理chunk的每个slab,除了free_chunk_list,还有lru_list。

     思路比结论重要。

    本文转载自:https://mp.weixin.qq.com/s/zh9fq_e2BgdIeR8RKtY6Sg

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