下面是《memcached全面剖析》的第三部分。
前幾次的文章在這里：
memcached是緩存，所以數(shù)據(jù)不會永久保存在服務(wù)器上，這是向系統(tǒng)中引入memcached的前提。 本次介紹memcached的數(shù)據(jù)刪除機制，以及memcached的最新發(fā)展方向——二進制協(xié)議（Binary Protocol） 和外部引擎支持。
memcached在數(shù)據(jù)刪除方面有效利用資源
數(shù)據(jù)不會真正從memcached中消失
上次介紹過，memcached不會釋放已分配的內(nèi)存。記錄超時后，客戶端就無法再看見該記錄（invisible，透明）， 其存儲空間即可重復(fù)使用。
Lazy Expiration
memcached內(nèi)部不會監(jiān)視記錄是否過期，而是在get時查看記錄的時間戳，檢查記錄是否過期。 這種技術(shù)被稱為lazy（惰性）expiration。因此，memcached不會在過期監(jiān)視上耗費CPU時間。
LRU：從緩存中有效刪除數(shù)據(jù)的原理
memcached會優(yōu)先使用已超時的記錄的空間，但即使如此，也會發(fā)生追加新記錄時空間不足的情況， 此時就要使用名為 Least Recently Used（LRU）機制來分配空間。 顧名思義，這是刪除“最近最少使用”的記錄的機制。 因此，當memcached的內(nèi)存空間不足時（無法從slab class獲取到新的空間時），就從最近未被使用的記錄中搜索，并將其空間分配給新的記錄。 從緩存的實用角度來看，該模型十分理想。
不過，有些情況下LRU機制反倒會造成麻煩。memcached啟動時通過“-M”參數(shù)可以禁止LRU，如下所示：
$ memcached -M -m 1024
啟動時必須注意的是，小寫的“-m”選項是用來指定最大內(nèi)存大小的。不指定具體數(shù)值則使用默認值64MB。
指定“-M”參數(shù)啟動后，內(nèi)存用盡時memcached會返回錯誤。 話說回來，memcached畢竟不是存儲器，而是緩存，所以推薦使用LRU。
memcached的最新發(fā)展方向
memcached的roadmap上有兩個大的目標。一個是二進制協(xié)議的策劃和實現(xiàn)，另一個是外部引擎的加載功能。
關(guān)于二進制協(xié)議
使用二進制協(xié)議的理由是它不需要文本協(xié)議的解析處理，使得原本高速的memcached的性能更上一層樓， 還能減少文本協(xié)議的漏洞。目前已大部分實現(xiàn)，開發(fā)用的代碼庫中已包含了該功能。memcached的下載頁面上有代碼庫的鏈接。
二進制協(xié)議的格式
協(xié)議的包為24字節(jié)的幀，其后面是鍵和無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（Unstructured Data）。 實際的格式如下（引自協(xié)議文檔）：
Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 |
/ | | | |
|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|
+---------------+---------------+---------------+---------------+
0/ HEADER /
/ /
/ /
/ /
+---------------+---------------+---------------+---------------+
24/ COMMAND-SPECIFIC EXTRAS (as needed) /
+/ (note length in th extras length header field) /
+---------------+---------------+---------------+---------------+
m/ Key (as needed) /
+/ (note length in key length header field) /
+---------------+---------------+---------------+---------------+
n/ Value (as needed) /
+/ (note length is total body length header field, minus /
+/ sum of the extras and key length body fields) /
+---------------+---------------+---------------+---------------+
Total 24 bytes
如上所示，包格式十分簡單。需要注意的是，占據(jù)了16字節(jié)的頭部(HEADER)分為 請求頭（Request Header）和響應(yīng)頭（Response Header）兩種。 頭部中包含了表示包的有效性的Magic字節(jié)、命令種類、鍵長度、值長度等信息，格式如下：
Request Header
Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 |
/ | | | |
|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|
+---------------+---------------+---------------+---------------+
0| Magic | Opcode | Key length |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
4| Extras length | Data type | Reserved |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
8| Total body length |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
12| Opaque |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
16| CAS |
| |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
Response Header
Byte/ 0 | 1 | 2 | 3 |
/ | | | |
|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|0 1 2 3 4 5 6 7|
+---------------+---------------+---------------+---------------+
0| Magic | Opcode | Key Length |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
4| Extras length | Data type | Status |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
8| Total body length |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
12| Opaque |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
16| CAS |
| |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
如希望了解各個部分的詳細內(nèi)容，可以checkout出memcached的二進制協(xié)議的代碼樹， 參考其中的docs文件夾中的protocol_binary.txt文檔。
HEADER中引人注目的地方
看到HEADER格式后我的感想是，鍵的上限太大了！現(xiàn)在的memcached規(guī)格中，鍵長度最大為250字節(jié)， 但二進制協(xié)議中鍵的大小用2字節(jié)表示。因此，理論上最大可使用65536字節(jié)（216）長的鍵。 盡管250字節(jié)以上的鍵并不會太常用，二進制協(xié)議發(fā)布之后就可以使用巨大的鍵了。
二進制協(xié)議從下一版本1.3系列開始支持。
外部引擎支持
我去年曾經(jīng)試驗性地將memcached的存儲層改造成了可擴展的（pluggable）。
MySQL的Brian Aker看到這個改造之后，就將代碼發(fā)到了memcached的郵件列表。memcached的開發(fā)者也十分感興趣，就放到了roadmap中?，F(xiàn)在由我和memcached的開發(fā)者Trond Norbye協(xié)同開發(fā)（規(guī)格設(shè)計、實現(xiàn)和測試）。 和國外協(xié)同開發(fā)時時差是個大問題，但抱著相同的愿景， 最后終于可以將可擴展架構(gòu)的原型公布了。 代碼庫可以從memcached的下載頁面上訪問。
外部引擎支持的必要性
世界上有許多memcached的派生軟件，其理由是希望永久保存數(shù)據(jù)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余等， 即使犧牲一些性能也在所不惜。我在開發(fā)memcached之前，在mixi的研發(fā)部也曾經(jīng) 考慮過重新發(fā)明memcached。
外部引擎的加載機制能封裝memcached的網(wǎng)絡(luò)功能、事件處理等復(fù)雜的處理。 因此，現(xiàn)階段通過強制手段或重新設(shè)計等方式使memcached和存儲引擎合作的困難 就會煙消云散，嘗試各種引擎就會變得輕而易舉了。
簡單API設(shè)計的成功的關(guān)鍵
該項目中我們最重視的是API設(shè)計。函數(shù)過多，會使引擎開發(fā)者感到麻煩； 過于復(fù)雜，實現(xiàn)引擎的門檻就會過高。因此，最初版本的接口函數(shù)只有13個。 具體內(nèi)容限于篇幅，這里就省略了，僅說明一下引擎應(yīng)當完成的操作：
- 引擎信息（版本等）
- 引擎初始化
- 引擎關(guān)閉
- 引擎的統(tǒng)計信息
- 在容量方面，測試給定記錄能否保存
- 為item（記錄）結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存
- 釋放item（記錄）的內(nèi)存
- 刪除記錄
- 保存記錄
- 回收記錄
- 更新記錄的時間戳
- 數(shù)學(xué)運算處理
- 數(shù)據(jù)的flush
對詳細規(guī)格有興趣的讀者，可以checkout engine項目的代碼，閱讀器中的engine.h。
重新審視現(xiàn)在的體系
memcached支持外部存儲的難點是，網(wǎng)絡(luò)和事件處理相關(guān)的代碼（核心服務(wù)器）與 內(nèi)存存儲的代碼緊密關(guān)聯(lián)。這種現(xiàn)象也稱為tightly coupled（緊密耦合）。 必須將內(nèi)存存儲的代碼從核心服務(wù)器中獨立出來，才能靈活地支持外部引擎。 因此，基于我們設(shè)計的API，memcached被重構(gòu)成下面的樣子：
重構(gòu)之后，我們與1.2.5版、二進制協(xié)議支持版等進行了性能對比，證實了它不會造成性能影響。
在考慮如何支持外部引擎加載時，讓memcached進行并行控制（concurrency control）的方案是最為容易的， 但是對于引擎而言，并行控制正是性能的真諦，因此我們采用了將多線程支持完全交給引擎的設(shè)計方案。
以后的改進，會使得memcached的應(yīng)用范圍更為廣泛。
總結(jié)
本次介紹了memcached的超時原理、內(nèi)部如何刪除數(shù)據(jù)等，在此之上又介紹了二進制協(xié)議和 外部引擎支持等memcached的最新發(fā)展方向。這些功能要到1.3版才會支持，敬請期待！
這是我在本連載中的最后一篇。感謝大家閱讀我的文章！
下次由長野來介紹memcached的應(yīng)用知識和應(yīng)用程序兼容性等內(nèi)容。