Memcache 內(nèi)存分配策略和性能(使用)狀態(tài)檢查

一直在使用Memcache，但是對(duì)其內(nèi)部的問題，如它內(nèi)存是怎么樣被使用的，使用一段時(shí)間后想看看一些狀態(tài)怎么樣？一直都不清楚，查了又忘記，現(xiàn)在整理出該篇文章，方便自己查閱。本文不涉及安裝、操作。有興趣的同學(xué)可以查看之前寫的文章和Google。

1：參數(shù)

memcached -h  memcached 1.4.14-p <num>           TCP端口，默認(rèn)為11211，可以不設(shè)置-U <num>           UDP端口，默認(rèn)為11211，0為關(guān)閉-s <file>          UNIX socket-a <mask>          access mask for UNIX socket, in octal (default: 0700)-l <addr>          監(jiān)聽的 IP 地址，本機(jī)可以不設(shè)置此參數(shù)-d                 以守護(hù)程序（daemon）方式運(yùn)行-u                 指定用戶，如果當(dāng)前為 root ，需要使用此參數(shù)指定用戶-m <num>           最大內(nèi)存使用，單位MB。默認(rèn)64MB-M                 禁止LRU策略，內(nèi)存耗盡時(shí)返回錯(cuò)誤，而不是刪除項(xiàng)-c <num>           最大同時(shí)連接數(shù)，默認(rèn)是1024-v                 verbose (print errors/warnings while in event loop)-vv                very verbose (also print client commands/reponses)-vvv               extremely verbose (also print internal state transitions)-h                 幫助信息-i                 print memcached and libevent license-P <file>          保存PID到指定文件-f <factor>        增長因子，默認(rèn)1.25-n <bytes>         初始chunk=key+suffix+value+32結(jié)構(gòu)體，默認(rèn)48字節(jié)-L                 啟用大內(nèi)存頁，可以降低內(nèi)存浪費(fèi)，改進(jìn)性能-t <num>           線程數(shù)，默認(rèn)4。由于memcached采用NIO，所以更多線程沒有太多作用-R                 每個(gè)event連接最大并發(fā)數(shù)，默認(rèn)20-C                 禁用CAS命令（可以禁止版本計(jì)數(shù)，減少開銷）-b                 Set the backlog queue limit (default: 1024)-B                 Binding protocol-one of ascii, binary or auto (default)-I                 調(diào)整分配slab頁的大小，默認(rèn)1M，最小1k到128M

 上面加粗的參數(shù)，需要重點(diǎn)關(guān)注，正常啟動(dòng)的例子:

啟動(dòng)：/usr/bin/memcached -m 64 -p 11212 -u nobody -c 2048 -f 1.1 -I 1024 -d -l 10.211.55.9連接：telnet 10.211.55.9 11212Trying 10.211.55.9...
Connected to 10.211.55.9.
Escape character is '^]'.

可以通過命令查看所有參數(shù)：stats settings

2：理解memcached的內(nèi)存存儲(chǔ)機(jī)制

      Memcached默認(rèn)情況下采用了名為Slab Allocator的機(jī)制分配、管理內(nèi)存。在該機(jī)制出現(xiàn)以前，內(nèi)存的分配是通過對(duì)所有記錄簡單地進(jìn)行malloc和free來進(jìn)行的。但是，這種方式會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片，加重操作系統(tǒng)內(nèi)存管理器的負(fù)擔(dān)，最壞的情況下，會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)比memcached進(jìn)程本身還慢。Slab Allocator就是為解決該問題而誕生的。

      Slab Allocator的基本原理是按照預(yù)先規(guī)定的大小，將分配的內(nèi)存以page為單位，默認(rèn)情況下一個(gè)page是1M，可以通過-I參數(shù)在啟動(dòng)時(shí)指定，分割成各種尺寸的塊（chunk）， 并把尺寸相同的塊分成組（chunk的集合），如果需要申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，memcached會(huì)劃分出一個(gè)新的page并分配給需要的slab區(qū)域。page一旦被分配在重啟前不會(huì)被回收或者重新分配，以解決內(nèi)存碎片問題。

Page

分配給Slab的內(nèi)存空間，默認(rèn)是1MB。分配給Slab之后根據(jù)slab的大小切分成chunk。

Chunk

用于緩存記錄的內(nèi)存空間。

Slab Class

特定大小的chunk的組。

      Memcached并不是將所有大小的數(shù)據(jù)都放在一起的，而是預(yù)先將數(shù)據(jù)空間劃分為一系列slabs，每個(gè)slab只負(fù)責(zé)一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。memcached根據(jù)收到的數(shù)據(jù)的大小，選擇最適合數(shù)據(jù)大小的slab。memcached中保存著slab內(nèi)空閑chunk的列表，根據(jù)該列表選擇chunk，然后將數(shù)據(jù)緩存于其中。

      如圖所示，每個(gè)slab只存儲(chǔ)大于其上一個(gè)slab的size并小于或者等于自己最大size的數(shù)據(jù)。例如：100字節(jié)大小的字符串會(huì)被存到slab2（88-112）中，每個(gè)slab負(fù)責(zé)的空間是不等的，memcached默認(rèn)情況下下一個(gè)slab的最大值為前一個(gè)的1.25倍，這個(gè)可以通過修改-f參數(shù)來修改增長比例。

      Slab Allocator解決了當(dāng)初的內(nèi)存碎片問題，但新的機(jī)制也給memcached帶來了新的問題。chunk是memcached實(shí)際存放緩存數(shù)據(jù)的地方，這個(gè)大小就是管理它的slab的最大存放大小。每個(gè)slab中的chunk大小是一樣的，如上圖所示slab1的chunk大小是88字節(jié)，slab2是112字節(jié)。由于分配的是特定長度的內(nèi)存，因此無法有效利用分配的內(nèi)存。例如，將100字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存到128字節(jié)的chunk中，剩余的28字節(jié)就浪費(fèi)了。這里需要注意的是chunk中不僅僅存放緩存對(duì)象的value，而且保存了緩存對(duì)象的key，expire time， flag等詳細(xì)信息。所以當(dāng)set 1字節(jié)的item，需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1字節(jié)的空間存放。

memcached在啟動(dòng)時(shí)指定 Growth Factor因子（通過-f選項(xiàng)）， 就可以在某種程度上控制slab之間的差異。默認(rèn)值為1.25。

slab的內(nèi)存分配具體過程如下：

      Memcached在啟動(dòng)時(shí)通過-m參數(shù)指定最大使用內(nèi)存，但是這個(gè)不會(huì)一啟動(dòng)就占用完，而是逐步分配給各slab的。如果一個(gè)新的數(shù)據(jù)要被存放，首先選擇一個(gè)合適的slab，然后查看該slab是否還有空閑的chunk，如果有則直接存放進(jìn)去；如果沒有則要進(jìn)行申請(qǐng)，slab申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)以page為單位，無論大小為多少，都會(huì)有1M大小的page被分配給該slab（該page不會(huì)被回收或者重新分配，永遠(yuǎn)都屬于該slab）。申請(qǐng)到page后，slab會(huì)將這個(gè)page的內(nèi)存按chunk的大小進(jìn)行切分，這樣就變成了一個(gè)chunk的數(shù)組，再從這個(gè)chunk數(shù)組中選擇一個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。若沒有空閑的page的時(shí)候，則會(huì)對(duì)改slab進(jìn)行LRU，而不是對(duì)整個(gè)memcache進(jìn)行LRU。

以上大致講解了memcache的內(nèi)存分配策略，下面來說明如何查看memcache的使用狀況。 

3，memcache狀態(tài)和性能查看

 ① 命中率 ：stats命令

按照下面的圖來解讀分析

 get_hits表示讀取cache命中的次數(shù)，get_misses是讀取失敗的次數(shù)，即嘗試讀取不存在的緩存數(shù)據(jù)。即：

命中率=get_hits / (get_hits + get_misses) 

命中率越高說明cache起到的緩存作用越大。但是在實(shí)際使用中，這個(gè)命中率不是有效數(shù)據(jù)的命中率，有些時(shí)候get操作可能只是檢查一個(gè)key存在不存在，這個(gè)時(shí)候miss也是正確的，這個(gè)命中率是從memcached啟動(dòng)開始所有的請(qǐng)求的綜合值，不能反映一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的情況，所以要排查memcached的性能問題，還需要更詳細(xì)的數(shù)值。但是高的命中率還是能夠反映出memcached良好的使用情況，突然下跌的命中率能夠反映大量cache丟失的發(fā)生。

② 觀察各slab的items的情況：Stats items命令

主要參數(shù)說明：

      因?yàn)閙emcached的內(nèi)存分配策略導(dǎo)致一旦memcached的總內(nèi)存達(dá)到了設(shè)置的最大內(nèi)存，表示所有的slab能夠使用的page都已經(jīng)固定，這時(shí)如果還有數(shù)據(jù)放入，將導(dǎo)致memcached使用LRU策略剔除數(shù)據(jù)。而LRU策略不是針對(duì)所有的slabs，而是只針對(duì)新數(shù)據(jù)應(yīng)該被放入的slab，例如有一個(gè)新的數(shù)據(jù)要被放入slab 3，則LRU只對(duì)slab 3進(jìn)行，通過stats items就可以觀察到這些剔除的情況。

注意evicted_time：并不是發(fā)生了LRU就代表memcached負(fù)載過載了，因?yàn)橛行r(shí)候在使用cache時(shí)會(huì)設(shè)置過期時(shí)間為0，這樣緩存將被存放30天，如果內(nèi)存滿了還持續(xù)放入數(shù)據(jù)，而這些為過期的數(shù)據(jù)很久沒有被使用，則可能被剔除。把evicted_time換算成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間看下是否已經(jīng)達(dá)到了你可以接受的時(shí)間，例如：你認(rèn)為數(shù)據(jù)被緩存了2天是你可以接受的，而最后被剔除的數(shù)據(jù)已經(jīng)存放了3天以上，則可以認(rèn)為這個(gè)slab的壓力其實(shí)可以接受的；但是如果最后被剔除的數(shù)據(jù)只被緩存了20秒，不用考慮，這個(gè)slab已經(jīng)負(fù)載過重了。

通過上面的說明可以看到當(dāng)前的memcache的slab1的狀態(tài)：

items有305816個(gè)，有效時(shí)間最久的是21529秒，通過LRU移除未過期的items有95336839個(gè)，通過LRU移除沒有設(shè)置過期時(shí)間的未過期items有95312220個(gè)，當(dāng)前就有被清除的items，啟動(dòng)時(shí)沒有帶-M參數(shù)。

③ 觀察各slabs的情況：stats slabs命令

從Stats items中如果發(fā)現(xiàn)有異常的slab，則可以通過stats slabs查看下該slab是不是內(nèi)存分配的確有問題。

主要參數(shù)說明：

這里需要注意：total_pages 這個(gè)是當(dāng)前slab總共分配大的page總數(shù)，如果沒有修改page的默認(rèn)大小的情況下，這個(gè)數(shù)值就是當(dāng)前slab能夠緩存的數(shù)據(jù)的總大?。▎挝粸镸）。如果這個(gè)slab的剔除非常嚴(yán)重，一定要注意這個(gè)slab的page數(shù)是不是太少了。還有一個(gè)公式：

total_chunks = used_chunks + free_chunks + free_chunks_end

另外stats slabs還有2個(gè)屬性：

④ 對(duì)象數(shù)量的統(tǒng)計(jì)：stats sizes

注意：該命令會(huì)鎖定服務(wù)，暫停處理請(qǐng)求。該命令展示了固定chunk大小中的items的數(shù)量。也可以看出slab1(96byte)中有多少個(gè)chunks。

⑤ 查看、導(dǎo)出key：stats cachedump

在進(jìn)入memcache中，大家都想查看cache里的key，類似redis中的keys *命令，在memcache里也可以查看，但是需要2步完成。

一是先列出items:

stats items  --命令...
...
STAT items:29:number 228STAT items:29:age 34935...
END

二是通過itemid取key，上面的id是29，再加上一個(gè)參數(shù)：為列出的長度，0為全部列出。

stats cachedump 29 0   --命令I(lǐng)TEM 26457202 [49440 b; 1467262309 s]
...
ITEM 30017977 [45992 b; 1467425702 s]
ITEM 26634739 [48405 b; 1467437677 s]
END  --總共228個(gè)keyget 26634739  取value

如何導(dǎo)出key呢？這里就需要通過 echo ... nc 來完成了

echo  "stats cachedump 29 0" | nc 10.211.55.9 11212 >/home/zhoujy/memcache.log

在導(dǎo)出的時(shí)候需要注意的是：cachedump命令每次返回的數(shù)據(jù)大小只有2M，這個(gè)是memcached的代碼中寫死的一個(gè)數(shù)值，除非在編譯前修改。

⑥ 另一個(gè)監(jiān)控工具：memcached-tool，一個(gè)perl寫的工具：memcache_tool.pl。

 View Code

./memcached-tool 10.211.55.9:11212    --執(zhí)行
  #  Item_Size  Max_age   Pages   Count   Full?  Evicted Evict_Time OOM
  1      96B     20157s      28  305816     yes 95431913        0    0
  2     120B     16049s      40  349520     yes 117041737        0    0
  3     152B     17574s      39  269022     yes 92679465        0    0
  4     192B     18157s      43  234823     yes 78892650        0    0
  5     240B     18722s      52  227188     yes 72908841        0    0
  6     304B     17971s      73  251777     yes 85556469        0    0
  7     384B     17881s      81  221130     yes 75596858        0    0
  8     480B     17760s      70  152880     yes 53553607        0    0
  9     600B     18167s      58  101326     yes 34647962        0    0
 10     752B     18518s      52   72488     yes 24813707        0    0
 11     944B     18903s      52   57720     yes 16707430        0    0
 12     1.2K     20475s      44   38940     yes 11592923        0    0
 13     1.4K     21220s      36   25488     yes  8232326        0    0
 14     1.8K     22710s      35   19740     yes  6232766        0    0
 15     2.3K     22027s      33   14883     yes  4952017        0    0
 16     2.8K     23139s      33   11913     yes  3822663        0    0
 17     3.5K     23495s      31    8928     yes  2817520        0    0
 18     4.4K     22611s      29    6670     yes  2168871        0    0
 19     5.5K     23652s      29    5336     yes  1636656        0    0
 20     6.9K     21245s      26    3822     yes  1334189        0    0
 21     8.7K     22794s      22    2596     yes   783620        0    0
 22    10.8K     22443s      19    1786     yes   514953        0    0
 23    13.6K     21385s      18    1350     yes   368016        0    0
 24    16.9K     23782s      16     960     yes   254782        0    0
 25    21.2K     23897s      14     672     yes   183793        0    0
 26    26.5K     27847s      13     494     yes   117535        0    0
 27    33.1K     27497s      14     420     yes    83966        0    0
 28    41.4K     28246s      14     336     yes    63703        0    0
 29    51.7K     33636s      12     228     yes    24239        0    0

解釋：