【Memcached】原理、体系架构、基本操作及路由算法

1. 什么是Memcached

要了解 Memcached 首先要到官网上去看官方对它的描述。Memcached的官网网站是： http://memcached.org/ ，官方对Memcached的描述如下图：

从官方的描述中可以总结出， Memcached是一个高性能分布式的内存对象缓存系统。 它将数据以key-value形式存储的存储在内存中，极大的提高了效率。但是Memcached的缺点在于不支持持久化（不支持写入磁盘），所以一旦断电，内存中的全部数据都会丢失。而 Redis 弥补了这个缺点，既在内存中存取数据，又支持持久化，所以Memcached可以理解为是 Redis 的前身，关于Redis的技术，后续会发新的文章论述，这里不展开讨论。

2. Memcached基本原理和体系架构

    实际上， Memcached是在内存中维护一张巨大的Hash表 。这张Hash表的结构是由多个slab组成，每个slab的大小是1M；每个slab中存在多个chunk，chunk是数据最终存储的单位。chunk采用预分配的方式提高性能，在保存数据之前，需要制定chunk的大小来分配内存。如add key *** 3

3. Memcached 集群

3.1 背景

    Memcached官方版本不支持集群搭建 ， Memcached彼此之间不进行通信，也就是把一个数据存到一个Memcached上，一旦这个Memcached宕掉了，不能从其它Memcached上读取这些数据，会造成数据丢失。

      但是， 一个日本工程师改写了官方Memcached，使它能够支持集群 。 此时，Memcached之间可以进行通信，数据存储到一个Memcached实例上，可以同步到其它Memcached实例，防止数据丢失。

3.2 基本操作

 3.2.1 命令行

(1) 启动并连接memcached

(2) 添加数据：set、add（当存在相同key值时，set会覆盖value，add会报错）；获取数据：get

(2) 查看slab信息

3.2.2 JavaAPI

1. 首先创建一个 Java 项目，然后添加memcached的jar包，如果网上找不到jar包的话可以在这个链接下载： https://download.csdn.net/download/xin93/10482424

2. 创建一个简单的Person信息类，用于存储到Memcached。

package com.nova;

import java.io.Serializable;
/**
 * 
 * @author Supernova
 * @date 2018/06/16
 * 
 */
public class Person implements Serializable{
    private String name;    //姓名
    private String sex;        //性别
    
    public Person() {
        
    }
    public Person(String name, String sex) {
        super();
        this.name = name;
        this.sex = sex;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getSex() {
        return sex;
    }
    public void setSex(String sex) {
        this.sex = sex;
    }
    
}

3. 添加、获取

package com.nova;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.util.concurrent.Future;

import org.junit.Test;

import net.spy.memcached.MemcachedClient;
/**
 * 
 * @author Supernova
 * @date 2018/06/16
 *
 */
public class MemcachedOperation {
    /*
     * 向memcached添加数据
     */
    @Test
    public void addData() throws Exception {
        // 创建Memcached客户端
        MemcachedClient client = new MemcachedClient(new InetSocketAddress("192.168.243.11", 11211));
        // 插入数据
        Future<Boolean> future= client.set("name", 0, "Supernova");
        //判断执行操作后返回的Boolean值
        if(future.get().booleanValue()) {
            //插入成功
            
            client.shutdown();
        }
    }

    /*
     * 获取memcached数据
     */
    @Test
    public void getData() throws Exception{
        // 创建Memcached客户端
        MemcachedClient client = new MemcachedClient(new InetSocketAddress("192.168.243.11",11211));
        // 获取对应key值的value
        String name = client.get("name").toString();
        System.out.println(name);
    }
    /*
     * 向memcached存储一个对象
     */
    @Test
    public void insertObject() throws Exception{
        // 创建Memcached客户端
        MemcachedClient client = new MemcachedClient(new InetSocketAddress("192.168.243.11",11211));

        Person person = new Person("Supernova","man");
        // 插入对象
        Future<Boolean> future = client.set("person", 0, person);
        
        if(future.get().booleanValue()) {
            //插入成功
            
            client.shutdown();
        }
    }

}

3.2 路由算法

既然Memcached实例可以有多个，那么当客户端发送一条数据的时候，这条数据要存储到哪个Memcached实例中？所以这就涉及到了Memcached路由算法，由它来决定数据最终存储在哪个Memcached上。 注意：Memcached路由算法是由客户端实现的。 在Memcached中有两种路由算法

 3.2.1 求余数

【基本原理】将key做hash运算，对memcached数量进行求余数，根据余数来决定存储到哪个Memcached实例。

如：有 4 台Memached，将对4进行求余数

8%4 = 0

7%4 = 3

6%4 = 2

5%4 = 1

……

这样根据余数路由的 优点 在于，能够使数据 均匀分布 在每个Memcached上，但是也有很大的 缺点 ，一旦某个Memcached宕机，或有新的memcached加入就会找不到数据，出现 严重的数据丢失 。

【数据丢失的原因】：

比如原先有3个Memcached：1%3=1， 2%3=2， 3%3=0， 4%3=1，……

新增之后为4个Memcached：1%4=1， 2%4=2， 3%4=2， 4%4=0，……

原先3存在0号，4存在1号，但是新增后，3变成2号，4变成0号。导致了存取的目标位置不一样， 在0号存，去2号取 就会找不到数据。

3.2.2 一致性Hash

一致性hash能够将丢失的数据减小到最小，但不能完全解决宕机造成的数据丢失。

【基本原理】：

如下图所示，数据分段在Memcached上存储，当扩容的时候，1~6666的数据将不受影响。同理，当有机器宕机的时候也一样。