Memcached 分布式缓存实现原理简介

摘要

在高并发环境下，大量的读、写请求涌向数据库，此时磁盘IO将成为瓶颈，从而导致过高的响应延迟，因此缓存应运而生。无论是单机缓存还是分布式缓存都有其适应场景和优缺点，当今存在的缓存产品也是数不胜数，最常见的有redis和memcached等，既然是分布式，那么他们是怎么实现分布式的呢？本文主要介绍分布式缓存服务mencached的分布式实现原理。
缓存本质

计算机体系缓存

什么是缓存，我们先看看计算机体系结构中的存储体系，根据冯·诺依曼计算机体系结构模型，计算机分为五大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。结合现代计算机，CPU包含运算器和控制器两个部分，CPU负责计算，其需要的数据由存储提供，存储分为几个级别，就拿我当前的PC举个例子，我的机器存储清单如下：

1.356G的磁盘
2.4G的内存
3.3MB三级缓存
4.256KB二级缓存(pre core)

除了上述部分，还有CPU内的寄存器，当然有的计算机还有一级缓存等。CPU运算器工作的时候需要数据，数据哪里来？首先从距离CPU最近的二级缓存去拿，这块缓存速度最快，通常也是体积最小，因为价格最贵：

存储金字塔

如上图所示，存储体系就像个金子塔，最上层最快，价格最贵，最下层最慢，价格也最便宜，CPU的数据源优先级一层层从上到下去寻找数据。

很显然，除了最慢的那块存储，在计算机体系中，相对较快的那些存储都可以被称为缓存，他们解决的问题是让存储访问更快。

缓存应用系统

计算机体系存储系统模型扩展到应用也是一样，应用需要数据，数据哪里来？缓存(更快的存储)->DB（较慢的存储），他们的工作流程大致如下图所示：

带缓存的存储访问一般模型

如上图所示，缓存应用系统一般存储访问流程：首先访问缓存较快的存储介质，如果命中且未失效则返回内容，如果未命中或失效则访问较慢的存储介质将内容返回同时更新缓存。

memcached简介

什么是memcached

memcached是LiveJournal旗下的Danga Interactive公司的Brad Fitzpatric为首开发的一款软件。现在已经成为mixi、hatena、Facebook、Vox、LiveJournal等众多服务中提高Web应用扩展性的重要因素。传统的Web应用都将数据保存到RDBMS中，应用服务器从RDBMS中读取数据、处理数据并在浏览器中显示。但是随着数据量增大、访问的集中、就会出现RDBMS的负担加重、数据库响应变慢、导致整个系统响应延迟增加。

而memcached就是为了解决这个问题而出现的，memcached是一款高性能的分布式内存缓存服务器，一般目的是为了通过缓存数据库的查询命中减少数据库压力、提高应用响应速度、提高可扩展性。

memcached缓存应用

memcached缓存特点

1.协议简单
2.基于libevent的事件处理
3.内置内存存储方式
4.memcached不相互通信的分布式

memcached分布式原理

今天的内容主要涉及memcached特点的第四条，memcached不相互通信，那么memcached是如何实现分布式的呢？memcached的分布式实现主要依赖客户端的实现：

memcached分布式

如上图所示，我们看下缓存的存储的一般流程：

当数据到达客户端，客户端实现的算法就会根据“键”来决定保存的memcached服务器，服务器选定后，命令他保存数据。取的时候也一样，客户端根据“键”选择服务器，使用保存时候的相同算法就能保证选中和存的时候相同的服务器。

余数计算分散法

余数计算分散法是memcached标准的memcached分布式方法，算法如下：

复制代码 代码如下: