Memcached

Memcached 是开源的高性能内存缓存软件，用于在内存空间中临时缓存数据库中的各类数据，减少业务对数据库的直接高并发访问，提升数据库访问性能。

适用场景：数据库查询结果缓存、Session 会话共享、简单的键值对缓存。适合读多写少、数据结构简单、不要求持久化的场景。当需要丰富的数据结构或数据持久化时，应优先考虑 Redis。

核心要点

高性能内存缓存系统，包括Slab Allocation、LRU、分布式集群

核心特性

特性	说明
基于内存	完全基于内存缓存
分布式	节点之间相互独立
C/S 架构	C 语言编写，约 2000 行代码
异步 I/O	使用 libevent 事件通知机制
KV 存储	key/value 键值对存储
无持久化	重启数据丢失
LRU	内存满时自动删除过期数据
过期机制	访问时检查 key 时间戳判断过期

数据限制

参数	限制
key 最大长度	250 个字符
单个 item 最大	1MB
过期时间最大	30 天

数据大于 1MB 时，可以考虑在客户端压缩或拆分到多个 key 中。

典型应用场景

作为数据库前端缓存

类型	说明
完整缓存	事先放入内存，如商品分类、商品信息
热点缓存	只缓存经常访问的数据

Session 会话共享

用于集群环境下的 session 共享。

工作流程

1. 请求访问
2. 查询 Memcached
3. 命中则返回缓存数据
4. 未命中则查询数据库，写入缓存后返回

缓存更新：数据更新时通知 Memcached 失效旧数据，高并发场合可预先推送更新数据到缓存。

秒杀等高并发业务需要事先预热，秒杀只是获取资格，不是瞬间完成。

内存管理

Slab Allocation 机制

问题：malloc/free 容易产生内存碎片

Slab Allocation 原理：

• 将内存分割成特定长度的内存块（chunk）
• 相同大小的 chunk 分成组（slab class）
• chunk 不会释放，可重复利用

术语	说明
Page	分配给 Slab 的内存空间，默认 1MB
Chunk	用于缓存记录的内存空间
SlabClass	特定大小 chunk 的组

不同 slab 的 chunk 大小不等，如果 item 大小与 chunk 不匹配，会浪费内存。

为什么不用 malloc/free？

• 容易产生内存碎片
• 加重 OS 内存管理负担
• 最坏情况导致 OS 比 memcached 还慢

LRU 与过期机制

• 内存不够时，过期的 slabs 优先被替换
• 然后是最老的未被使用的 slabs
• 过期时间最大支持 30 天，到期后自动失效

分布式集群

分布式实现方式

程序端实现：程序加载所有 memcached IP 列表，对 key 做 hash（一致性哈希算法）

负载均衡器实现：负载均衡器做一致性哈希

一致性哈希优势：每个对象只请求一个对应服务器，节点宕机时重新分配比例最低。

两阶段哈希

1. 阶段一：客户端计算 key 哈希值，选择节点
2. 阶段二：节点内部哈希算法查找真正的数据

冗余与容错

Memcached 设计本身不带冗余机制。节点失效时从数据源重新获取数据，可以增加更多节点减少影响，或使用热备节点。

方案	说明
忽略	失效节点恢复前，其他节点应对影响
移除节点	会导致缓存不可用
热备节点	接管失效节点 IP，防止哈希紊乱
一致性哈希	添加/移除节点不影响哈希结果

线程模式

Memcached 1.2+ 支持多线程：充分利用多个 CPU，CPU 之间共享缓存数据，使用简单锁机制保证更新互斥。

负载较重、拥有大规模硬件的网站建议启用多线程。

身份验证

没有内置身份验证机制，设计哲学是轻量级、快速。

限制访问方式：防火墙限制、监听 unix domain socket。

原子性

单个命令完全原子，命令序列不原子。使用 gets 和 cas 保证一致性：

gets key                          # 获取值和 CAS 唯一标识（unique_id）
cas key 0 0 100 <unique_id>       # 仅当 unique_id 未变化时才写入
value

CAS（Check and Set）：获取 item 唯一标识，修改后用 cas 命令写回，如果唯一标识变化则写操作失败。

Session 共享方案

方案	说明
粘性 Session	Nginx 每次转发到同一服务器
Session 复制	广播到所有集群服务器
Session 共享	使用 Redis/Memcached 缓存
Session 持久化	存储到数据库

与 Redis 对比

对比项	Memcached	Redis
数据类型	只支持简单 KV	支持 list/set/zset/hash
持久化	无	支持 RDB/AOF
宕机恢复	缓存全失效	自动加载持久化数据
key 长度	250 字符	512KB
value 大小	最大 1MB	可配置更大
线程模型	多核支持（1.2+）	单线程
内存管理	Slab Allocation	包装的 malloc/free
数据一致性	CAS 保证	单线程保证

小数据（<100KB）Redis 单核性能更高，大数据（>100KB）Memcached 多核性能更高。

批量导入导出

不推荐批量操作：Memcached 是非阻塞服务器，批量操作可能导致服务暂停，数据在导入导出期间可能变化。

适用场景：大量不变化的数据、需要快速 warm up 缓存。

不要依赖 Memcached 做灾备，宕机会导致所有缓存数据失效。

常见问题

缓存雪崩

大量 key 同时过期导致数据库压力骤增。解决：在过期时间上加随机偏移量，避免同一时刻集中失效。

内存碎片

Slab Allocation 机制可能导致内存浪费（item 大小与 chunk 不匹配）。使用 stats slabs 命令查看各 slab 的使用率，调整 slab 的增长因子（-f 参数）。

连接数耗尽

检查客户端连接池配置，确认是否正确释放连接。使用 stats 命令查看当前连接数（curr_connections）。