大型网站优化-Memcache技术

共计 9405 个字符，预计需要花费 24 分钟才能阅读完成。

memory+cache 内存缓存

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。

大型网站优化 -Memcache 技术

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

key1 ===MD5(sql)	Asion
key2	12
key3	shenzhen
key4	iphone

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。
memcache 与 MySQL 的区别
没有使用 SQL 语句
memcache 没有 MySQL 中的表的概念，都是使用 key-value 来保存的
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）
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
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
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
Windows 下
连接之后使用 ctrl + ] 打开 Telnet 的回显
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
设置秒数，从设置开始， n 秒后失效
时间戳，到指定时间戳后失效
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
Windows 下
到（http://downloads.php.net/pierre/）下载扩展 dll 文件
将该文件放到 php 的 extension_dir 对应的目录下
修改 php.ini 文件，加入 extension=php_memcache.dll，引入该文件
重启 Apache
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:
vsftpd 是否正常的开启 service vsftpd status
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
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）
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。
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
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。
固定 chunk 带来的内存浪费，22B
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。
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
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
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
测试
1. 开启 session，保存 session
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
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：
一致性 hash 实现分布式
假想有一个圆环，分布着从 0 到 2^32 这么多个正整数
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
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？
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
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
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。
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
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
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
放在内网 192.168.1.110 内网 IP 外网无法访问
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
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。
书写一个列表页
详情页
扩展
Linux 下安装一个 php 的扩展的通用方法
答：
下载对应的扩展的源码 http://pecl.php.net/package/memcache
将对于的扩展上传到 Linux 服务器上，放在（/usr/local/src/ 下）
执行 tar -zxvf NAME.tar.gz
cd NAME
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
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）
make && make install
会生成一个目录，在个目录里面有对于的 NAME.so 文件
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’
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。