memcached全面剖析–理解memcached的內存存儲
Slab Allocation機制：整理內存以便重複使用
最近的memcached默認狀況下采用了名爲Slab Allocator的機制分配、管理內存。 在該機制出現之前，內存的分配是經過對全部記錄簡單地進行malloc和free來進行的。 可是，這種方式會致使內存碎片，加劇操做系統內存管理器的負擔，最壞的狀況下， 會致使操做系統比memcached進程自己還慢。Slab Allocator就是爲解決該問題而誕生的。javascript
下面來看看Slab Allocator的原理。下面是memcached文檔中的slab allocator的目標：html
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.java
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， 以徹底解決內存碎片問題。緩存
Slab Allocation的原理至關簡單。 將分配的內存分割成各類尺寸的塊（chunk）， 並把尺寸相同的塊分紅組（chunk的集合）（圖1）。服務器
圖1 Slab Allocation的構造圖ide
並且，slab allocator還有重複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，而是重複利用。memcached
Slab Allocation的主要術語
Pagesvn
分配給Slab的內存空間，默認是1MB。分配給Slab以後根據slab的大小切分紅chunk。ui
Chunkthis
用於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並緩存到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中保存着slab內空閒chunk的列表，根據該列表選擇chunk， 而後將數據緩存於其中。
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，因爲分配的是特定長度的內存，所以沒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，剩餘的28字節就浪費了（圖3）。
圖3 chunk空間的使用
對於該問題目前尚未完美的解決方案，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，若是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狀況下， 只要使用適合數據大小的組的列表，就能夠減小浪費。
可是很遺憾，如今還不能進行任何調優，只能期待之後的版本了。 可是，咱們能夠調節slab class的大小的差異。 接下來講明growth factor選項。
使用Growth Factor進行調優
memcached在啓動時指定 Growth Factor因子（經過-f選項）， 就能夠在某種程度上控制slab之間的差別。默認值爲1.25。 可是，在該選項出現以前，這個因子曾經固定爲2，稱爲「powers of 2」策略。
讓咱們用之前的設置，以verbose模式啓動memcached試試看：
$ memcached -f 2 -vv
下面是啓動後的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，組的大小依次增大爲原來的2倍。 這樣設置的問題是，slab之間的差異比較大，有些狀況下就至關浪費內存。 所以，爲儘可能減小內存浪費，兩年前追加了growth factor這個選項。
來看看如今的默認設置（f=1.25）時的輸出（篇幅所限，這裏只寫到第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，組間差距比因子爲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，可能會以爲有些計算偏差， 這些偏差是爲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， 最好是從新計算一下數據的預期平均長度，調整growth factor， 以得到最恰當的設置。內存是珍貴的資源，浪費就太惋惜了。
接下來介紹一下如何使用memcached的stats命令查看slabs的利用率等各類各樣的信息。
查看memcached的內部狀態
memcached有個名爲stats的命令，使用它能夠得到各類各樣的信息。 執行命令的方法不少，用telnet最爲簡單：
$ telnet 主機名 端口號
鏈接到memcached以後，輸入stats再按回車，便可得到包括資源利用率在內的各類信息。 此外，輸入"stats slabs"或"stats items"還能夠得到關於緩存記錄的信息。 結束程序請輸入quit。
這些命令的詳細信息能夠參考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，若是安裝了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，能夠用更少的步驟得到與telnet相同的信息，還能一次性從多臺服務器得到信息。
$ memstat --servers=server1,server2,server3,...
libmemcached能夠從下面的地址得到：
查看slabs的使用情況
使用memcached的創造着Brad寫的名爲memcached-tool的Perl腳本，能夠方便地得到slab的使用狀況 （它將memcached的返回值整理成容易閱讀的格式）。能夠從下面的地址得到腳本：
使用方法也極其簡單：
$ memcached-tool 主機名:端口 選項
查看slabs使用情況時無需指定選項，所以用下面的命令便可：
$ memcached-tool 主機名:端口
得到的信息以下所示：
# 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
各列的含義爲：
| 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內是否含有空閒chunk |
從這個腳本得到的信息對於調優很是方便，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。 但願讀者能理解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））。