搭建Memcache服务详解

博文大纲：
一、Memcache简介
二、Memcache工作流程
三、Memcache调度算法
四、Memcache实现原理
五、安装Memcache
（1）安装nginx服务器
（2）安装PHP服务器
（3）安装MySQL数据库
（4）测试PHP与Nginx、MySQL的连通性
（5）安装Memcache服务器
（6）PHP服务器安装Memcache客户端
（7）使用 memcache 实现 session 共享
（8）测试Memcache缓存数据库
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一、Memcache简介

Memcache是一套自由、开源、高性能、分布式的高速缓存系统。由于Memcache通过在内存中缓存数据和对象来减少读取数据库的次数。目前被许多网站使用以提升网站的访问速度，尤其对于一些大型的、需要频繁访问数据库的网站访问速度提升效果十分显著。

Memcache是一个存储键值对的HashMap，在内存中对任意的数据都可以使用key-value的方式存储，数据库可以来自数据库调用或API调用。Memcache设计理念就是小而强大，她简单的设计促进了快速部署、易于开发并解决大规模的数据缓存的许多难题，而其所开放的API使得Memcache能用于Java、C/C++/C#、Perl、Python等大部分流行的程序语言。

二、Memcache工作流程

注意Memcache虽然被称为“分布式缓存”，但是Memcache本身完全不具备分布式的功能，Memcache集群之间不会相互通信，所谓的“分布式”，完全依赖于客户端程序来实现，如图：
搭建Memcache服务详解

Memcahe工作流程：
（1）应用程序输入需要写入缓存的数据；
（2）API将Key输入路由算法模块，理由算法根据Key和Memcache集群服务器列表得到服务器的编号；
（3）由服务器编号得到Memcache及其IP地址和端口号；
（4）API调用通信模块和指定编号的服务器通信，讲数据写入该服务器，完成一次分布式缓存的写操作；

不管是读取缓存还是写入缓存，只要使用相同的路由算法和服务器列表、应用程序查询的是相同的key，Memcache客户端总是访问相同的客户端去读取数据，只要服务器缓存中还有该数据的缓存，就能保证缓存命中。

这种Memcache集群的方式也是从分区容错性的方面考虑的，假设Node2宕机了，那么Node2上存储的数据都不可用了，此时由于集群中Node0和Node2还存在，下一次请求获取Node2的缓存数据，肯定是没有命中的。这时首先会从数据库中获取到缓存的数据，通过路由算法根据将缓存的数据存储在Node0或Node1上，这种集群的做法很好，但是缺点是成本太大。

三、Memcache调度算法

Memcache共有两种路由调度算法，分别是：余数Hash与一致性Hash。

（1）余数Hash

简单的路由算法可以使用余数Hash：用服务器数目和缓存数据Key的hash值相除，余数为服务器列表中的服务器编号。由于HashCode随机性比较强，所以使用余数Hash路由算法就可以保证缓存数据在整个Memcache服务器集群中有比较均衡的分布。

如果不考虑服务器集群的伸缩性，那么余数Hash算法几乎可以满足绝大数的缓存路由器需求你，但是当分布式缓存集群需要扩容时，就会出现很大的问题。

比如Memcache服务器集群由3台变成4台，假设有HashCode为0～19的20个数据，如图：
3台Memcache服务器环境：
搭建Memcache服务详解
现在扩容到4台Memcache服务器：

仅仅是扩展到4台，原本缓存的数据就只可以命中6次，那么如果扩容到20台一行，只有前三个缓存中对应的数据可以命中。通过以上举例就可以说明：
使用余数Hash的路由算法，在扩容的时候会造成大量的数据无法正确命中缓存。

在网站业务中，大部分的业务数据操作请求都会通过缓存来获取的，只有少量的数据操作才会访问数据库，因此数据库的负载能力是在有缓存为前提的情况下设计的。当大部分缓存的数据因为Memcache服务器的扩容而不能正确读取时，这些数据访问的压力就落到了数据库的身上，这将大大超过数据库的负载能力，严重的情况还会造成数据库宕机。

对于使用余数Hash算法的Memcache集群环境，需要扩容时，解决方案：

在网站访问量低谷，通常是深夜，技术团队加班、扩容、重启服务器；
通过模拟请求的方式逐渐预热缓存，使缓存服务器中的数据重新分布；

（2）一致性Hash

一致性Hash算法通过一个叫做一致性Hash环的数据结构实现key到缓存服务器的Hash映射，简单来说，一致性Hash将整个Hash空间组织成一个虚拟的圆环，假设某空间哈希函数H的值空间是0～2^32-1，那么整个Hash空间如图：
搭建Memcache服务详解

将各个服务器使用H进行一个Hash计算，具体可以使用服务器的IP地址或主机名作为关键字，这样每台服务器都能确定其在上面的Hash环上的位置了，并且是按照顺时针排序。

假设三台Memcache经计算后位置如下：
搭建Memcache服务详解
接下来使用相同的算法计算出数据的哈希值，并由此确定数据在此哈希环上的位置，比如有四个数据，经过哈希计算后位置如下：

根据一致性Hash算法，按照顺时针找最近服务节点方法，这样得到的Hash环调度方法，有很高的容错性和可扩展性。

假设server03宕机，就会出现以下情况：
搭建Memcache服务详解
可以但看到此时C、B会收到影响，将B、C节点重定向到server01上。

在一致性Hash算法中，如果一台服务器不可用时，则受到影响的仅仅是此服务器按照顺时针方向的第一台服务器，其他服务器并不会受到影响。

假设在原本的环境中，再添加一台服务器server04，就会出现以下情况：
搭建Memcache服务详解
此时，A、D、C都不会受到影响，只有B需要重定向到新的Server04。

在一致性Hash算法中，如果增加一台服务器，则受影响的数据仅仅是新服务器按照顺时针方向的第一台服务器，其他并不会受到影响。

综上所述，一致性Hash算法的优缺点：

优点：对于节点的增减都只需重定位环空间的一部分数据，具有较好的容错行和可扩展性；
缺点：在服务节点太少是，容器因为节点分布均匀而造成数据倾斜问题。

当然对于其缺点，我们可以通过增加虚拟节点的方式来解决。

总之就是：集群中的缓存服务器节点越多，增加、减少节点的影响越小；随着集群规模的增大，继续命中原有缓存数据的概率会越来越大，虽然仍有小部分数据缓存服务器中不能被读取，但是比例相对来说，较小。即使访问数据库，也不会对数据库产生致命的负载压力。

四、Memcache实现原理

Memcache的特点：
访问数据库的速度比传统的关系型数据库要快（因为Memcache是存放在内存中的，而传统的关系型数据库是存放在磁盘中）；
Memcache的数据存放在内存中，就意味着只要Memcache重启，数据便会丢失。
由于现在大部分都是64位操作系统，这里就不介绍内存对32位系统的影响了；

Memcache的原理：最重要的就是内存如何分配，Memcache采用的内存分配方式是固定空间分配的，如图：
搭建Memcache服务详解
图中主要设计到了stab_class、slab、page、chunk四个概念，四者的关系：
（1）Memcache将内存空间分为一组slab；
（2）每个slab下又有若干个page，每个page默认是1M，如果一个slab占用100M内存的话，那么这个slab下应该有100个page；
（3）每个page里面包含一组chunk，chunk是真正存放数据的地方，同一个slab里面的chunk的大小是固定的；
（4）有相同大小chunk的slab被组织在一起，称为slab_class；

Memcache内存分配的方式称为allocator（分配运算），slab的数量是有限的，几个、十几个或者几十个，这个和启动参数的配置相关；

Memcache中的value存放的地方是由value的大小决定的，value总是会存放到与chunk大小最接近的一个slab中。

如果这个slab中没有chunk可以分配了怎么办？如果Memcache启动没有追加“-M”，那么Memcache会把这个slab中最近最少使用的chunk中的数据清理掉，然后放上最新的数据。

1.Memcache的工作流程

如图：
搭建Memcache服务详解
1、检查客户端的请求数据是否在 memcached 中，如果有，直接把请求数据返回，不再对数据库进行任何操作，路径操作为①②③⑦；
2、如果请求的数据不在 memcached 中，就去查数据库，把从数据库中获取的数据返回给客户端，同时把数据缓存一份到 memcached 中（memcached 客户端不负责，需要程序明确实现），路径操作为①②④⑤⑦⑥；
3、每次更新数据库的同时更新 memcached 中的数据，保证一致性；
4、当分配给 memcached 内存空间用完之后，会使用 LRU（Least Recently Used，最近最少使用）策略加上到期失效策略，失效数据首先被替换，然后再替换掉最近未使用的数据；

2.Memcached的特征

协议简单：
基于文本行的协议，直接通过 telnet 在 memcached 服务器上可进行存取数据操作；
基于 libevent 事件处理；
所有数据都保存在内存中，存取数据比硬盘快，当内存满后，通过 LRU 算法自动删除不使用的缓存，但没有考虑数据的容灾问题，重启服务，所有数据会丢失；
分布式：
各个 memcached 服务器之间互不通信，各自独立存取数据，不共享任何信息。服务器并不具有分布式功能，分布式部署取决于 memcache 客户端。

五、安装Memcache

Memcache 的安装分为两个过程：memcache 服务器端的安装和 memcached 客户端的安装。所谓服务器端的安装就是在服务器（一般都是 linux 系统）上安装 Memcache 实现数据的存储。

所谓客户端的安装就是指 php（或者其他程序，Memcache 还有其他不错的 api 接口提供）去使用服务器端的 Memcache 提供的函数，需要 php 添加扩展。

由此可以看出Memcache的搭建需要借助于LAMP或LNMP，本篇博文采用LNMP结构。

安装环境：
搭建Memcache服务详解

（1）安装nginx服务器

下载Nginx软件包

关于安装Nginx的详细介绍可以参考Nginx深度优化（二），那么这里就不多做解释了！

[root@Nginx ~]# useradd -M -s /sbin/nologin nginx
[root@Nginx ~]# yum -y install openssl-devel
[root@Nginx ~]# tar zxf pcre-8.39.tar.gz -C /usr/src
[root@Nginx ~]# tar zxf zlib-1.2.8.tar.gz -C /usr/src
[root@Nginx ~]# tar zxf nginx-1.14.0.tar.gz -C /usr/src
[root@Nginx ~]# cd /usr/src/nginx-1.14.0/
[root@Nginx nginx-1.14.0]# ./configure --prefix=/usr/local/nginx \
--user=nginx --group=nginx --with-http_dav_module \
--with-http_stub_status_module --with-http_addition_module \
--with-http_sub_module --with-http_flv_module --with-http_mp4_module \
--with-pcre=/usr/src/pcre-8.39 --with-zlib=/usr/src/zlib-1.2.8 \
--with-http_ssl_module --with-http_gzip_static_module && make && make install
[root@Nginx ~]# ln -s /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/sbin
[root@Nginx ~]# nginx
[root@Nginx ~]# netstat -anpt | grep 80
tcp        0      0 0.0.0.0:80              0.0.0.0:*               LISTEN      8460/nginx: master

（2）安装PHP服务器

下载PHP软件包

关于PHP的安装详细介绍可以参考部署LAMP动静分离以及部署Discuz论坛这里就不多做解释了！

[root@PHP ~]# yum -y install openssl-devel libxml2-devel bzip2-devel libcurl-devel
[root@PHP ~]# tar zxf libmcrypt-2.5.7.tar.gz -C /usr/src
[root@PHP ~]# cd /usr/src/libmcrypt-2.5.7/
[root@PHP libmcrypt-2.5.7]# ./configure --prefix=/usr/local/libmcrypt && make && make install
[root@PHP ~]# tar zxf php-5.6.27.tar.gz -C /usr/src
[root@PHP ~]# cd /usr/src/php-5.6.27/
[root@PHP php-5.6.27]# ./configure --prefix=/usr/local/php \
--with-mysql=mysqlnd --with-pdo-mysql=mysqlnd --with-mysqli=mysqlnd \
--with-openssl --enable-fpm --enable-sockets --enable-sysvshm \
--enable-mbstring --with-freetype-dir --with-jpeg-dir --with-png-dir \
--with-libxml-dir=/usr --enable-xml --with-mhash --with-zlib \
--with-mcrypt=/usr/local/libmcrypt --with-config-file-path=/etc \
--with-config-file-scan-dir=/etc/php.d --with-bz2 \
--enable-maintainer-zts && make && make install
[root@PHP ~]# cp /usr/src/php-5.6.27/php.ini-production /etc/php.ini
[root@PHP ~]# cp /usr/src/php-5.6.27/sapi/fpm/init.d.php-fpm /etc/init.d/php-fpm
[root@PHP ~]# chmod +x /etc/init.d/php-fpm 
[root@PHP ~]# chkconfig --add php-fpm
[root@PHP ~]# cd /usr/local/php/etc/
[root@PHP etc]# cp php-fpm.conf.default php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's#;pid = run/php-fpm.pid#pid = run/php-fpm.pid#g' php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's/listen = 127.0.0.1:9000/listen = 0.0.0.0:9000/g' php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's/pm.max_children = 5/pm.max_children = 50/g' php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's/pm.start_servers = 2/pm.start_servers = 5/g' php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's/pm.min_spare_servers = 1/pm.min_spare_servers = 5/g' php-fpm.conf
[root@PHP etc]# sed -i 's/pm.max_spare_servers = 3/pm.max_spare_servers = 35/g' php-fpm.conf
[root@PHP ~]# systemctl start php-fpm  
[root@PHP ~]# netstat -anpt | grep 9000  
tcp        0      0 0.0.0.0:9000            0.0.0.0:*               LISTEN      118146/php-fpm: mas

（3）安装MySQL数据库

提供一键安装MySQL软件及脚本

[root@Mysql ~]# ls
anaconda-ks.cfg  initial-setup-ks.cfg  mysql-5.7.22-linux-glibc2.12-x86_64.tar.gz  mysql.sh
[root@Mysql ~]# sh mysql.sh 
Starting MySQL.. SUCCESS! 
[root@Mysql ~]# mysql -u root -p123
mysql> create database testdb1;
mysql> use testdb1;
mysql> grant all on *.* to lzj@'192.168.1.%' identified by '123456';
mysql> create table test1(id int not null auto_increment,name varchar(20) default null,primary  key (id)) engine=innodb auto_increment=1 default charset=utf8;
mysql> insert into test1(name) values ('tom1'),('tom2'),('tom3'),('tom4'),('tom5');
mysql> select * from test1;
+----+------+
| id | name |
+----+------+
|  1 | tom1 |
|  2 | tom2 |
|  3 | tom3 |
|  4 | tom4 |
|  5 | tom5 |
+----+------+
//创建数据库，及添加数据并创建授权用户

（4）测试PHP与Nginx、MySQL的连通性

Nginx服务器的操作：

[root@Nginx ~]# vim /usr/local/nginx/conf/nginx.conf

        location / {
            root   html;
            index  index.php index.html index.htm;
        }

        location ~ \.php$ {
            root           /var/www/html;
            fastcgi_pass   192.168.1.6:9000;
            fastcgi_index  index.php;
            fastcgi_param  SCRIPT_FILENAME  /scripts$fastcgi_script_name;
            include        fastcgi.conf;
        }
[root@Nginx ~]# nginx -t
nginx: the configuration file /usr/local/nginx/conf/nginx.conf syntax is ok
nginx: configuration file /usr/local/nginx/conf/nginx.conf test is successful
[root@Nginx ~]# nginx -s reload

PHP服务器的操作：

[root@PHP ~]# mkdir -p /var/www/html
[root@PHP ~]# vim /var/www/html/test.php

[root@PHP ~]# vim /var/www/html/test1.php

客户端访问测试：

搭建Memcache服务详解

客户端访问测试，确保没有问题！

（5）安装Memcache服务器

下载Memcache软件包

[root@Memcache ~]# tar zxf libevent-2.0.22-stable.tar.gz -C /usr/src
[root@Memcache ~]# cd /usr/src/libevent-2.0.22-stable/
[root@Memcache libevent-2.0.22-stable]# ./configure && make && make install
//安装Memcache依赖软件包
[root@Memcache ~]# tar zxf memcached-1.4.33.tar.gz -C /usr/src
[root@Memcache ~]# cd /usr/src/memcached-1.4.33/
[root@Memcache memcached-1.4.33]# ./configure --prefix=/usr/local/memcached \
--with-libevent=/usr/local/ && make && make install
[root@Memcache ~]# ln -s /usr/local/memcached/bin/memcached /usr/local/bin
[root@Memcache ~]# memcached -d -m 2048 -l 192.168.1.7 -p 11211 -c 10240 -P /usr/local/memcached/memcached.pid -u root
[root@Memcache ~]# netstat -anpt | grep 11211
tcp        0      0 192.168.1.7:11211       0.0.0.0:*               LISTEN      10886/memcached

启动Memcache常用参数说明如下：
-d：启动一个守护进程；
-m：分配给 Memcache 使用的内存数量，单位是 MB，默认 64MB；
-l：监听的 IP 地址；（默认：INADDR_ANY，所有地址）
-p：设置 Memcache 的 TCP 监听的端口，最好是 1024 以上的端口；
-u：运行 Memcache 的用户，如果当前为 root 的话，需要使用此参数指定用户；
-c：最大运行的并发连接数，默认是 1024；
-P：设置保存 Memcache 的 pid 文件路径；
-M：内存耗尽时返回错误，而不是删除项；
-f：块大小增长因子，默认是 1.25；
-n：最小分配空间，key+value+flags 默认是 48；
-h：显示帮助；

（6）PHP服务器安装Memcache客户端

[root@PHP ~]# scp 192.168.1.7:/root/memcache-3.0.8.tgz .
[root@PHP ~]# tar zxf memcache-3.0.8.tgz -C /usr/src
[root@PHP ~]# cd /usr/src/memcache-3.0.8/
[root@PHP memcache-3.0.8]# /usr/local/php/bin/phpize
//生成configure文件
//若在执行上述命令时报错，则需要执行“yun -y install autoconf "安装提示的autoconf包
[root@PHP memcache-3.0.8]# ./configure --enable-memcache \
--with-php-config=/usr/local/php/bin/php-config && make && make install
//执行后会显示memcache.so存放的路径
[root@PHP ~]# echo "extension = /usr/local/php/lib/php/extensions/no-debug-zts-20131226/memcache.so" >> /etc/php.ini
//在PHP主配置文件中填写memcache.so模块存放的路径
[root@PHP ~]# systemctl restart php-fpm
[root@PHP ~]# vim /var/www/html/test2.php
connect('192.168.1.7', 11211) or die ("Could not connect");
$version = $memcache->getVersion();
echo "Server's version: ".$version."
";
$tmp_object = new stdClass;
$tmp_object->str_attr = 'test';
$tmp_object->int_attr = 123;
$memcache->set('key', $tmp_object, false, 600) or die ("Failed to save data at the server");
echo "Store data in the cache (data will expire in 600 seconds)
";
$get_result = $memcache->get('key');
echo "Data from the cache:
";
var_dump($get_result);
?>
//此测试脚本是显示memcached的版本
//并且向里面插入了一个缓存时间为600秒的键值对“test=123”，其ID为“key”

客户段访问如下：
搭建Memcache服务详解

在PHP服务器上安装telnet工具测试

[root@PHP ~]# yum -y install telnet
[root@PHP ~]# telnet 192.168.1.7 11211           //登陆到memcached的11211端口
Trying 192.168.1.7...
Connected to 192.168.1.7.
Escape character is '^]'.
get key              //查询ID为“key”的键值对，可以看到我们测试脚本写入的“test=123”
VALUE key 1 66
O:8:"stdClass":2:{s:8:"str_attr";s:4:"test";s:8:"int_attr";i:123;}
END
//在进行上面的get验证时，需要将test2.php文件中插入的键值对的保存时间值改大一些
//或者重新访问一下，以免缓存失效，查询不到
quit                     //退出当前环境
Connection closed by foreign host.
[root@PHP ~]#

（7）使用 memcache 实现 session 共享

在PHP服务器上进行以下操作：

[root@PHP ~]# vim /etc/php.ini 
//编写PHP主配置文件，并在末尾添加以下内容
session.save_handler = memcache
session.save_path = "tcp://192.168.1.7:11211?persistent=1&weight=1&timeout=1&retry_interval=15"
[root@PHP ~]# systemctl restart php-fpm
[root@PHP ~]# vim /var/www/html/test3.php
";
echo "now_time:".time()."
";
echo "session_id:".session_id()."
";
?>

PHP配置文件中写入的内容解释如下：
session.save_handler：设置 session 的储存方式为 memcache ；
默认以文件方式存取 session数据；
session.save_path：设置 session 储存的位置；
使用多个 memcached server 时用逗号”,”隔开，可以带额外的参数”persistent”、”weight”、”timeout”、”retry_interval”等等；
类似这样的："tcp://host:port?persistent=1&weight=2,tcp://host2:port2"；

客户端访问如下：
搭建Memcache服务详解

[root@PHP ~]# telnet 192.168.1.7 11211
Trying 192.168.1.7...
Connected to 192.168.1.7.
Escape character is '^]'.
get a8aujbnie16p29rj4pf9ltfjp3                   //使用网页出现的server_id号，来获取其对应的值
VALUE a8aujbnie16p29rj4pf9ltfjp3 0 26
session_time|i:1576329213;
END
quit
Connection closed by foreign host.
[root@PHP ~]#

（8）测试Memcache缓存数据库

由于步骤3创建数据库时，就已经在数据库中写入了测试所用的值，接下来就是创建测试脚本就可以了！

PHP服务器的操作：

[root@PHP ~]# vim /var/www/html/test4.php 
connect($memcachehost,$memcacheport) or die ("Could not connect");
$query="select * from test1 limit 10";
$key=md5($query);
if(!$memcache->get($key))
{
$conn=mysql_connect("192.168.1.8","lzj","123456");                        //指定数据库服务器的IP地址、用户及密码
mysql_select_db(testdb1);
$result=mysql_query($query);
while ($row=mysql_fetch_assoc($result))
{
$arr[]=$row;
}
$f = 'mysql';
$memcache->add($key,serialize($arr),0,30);
$data = $arr ;
}
else{
$f = 'memcache';
$data_mem=$memcache->get($key);
$data = unserialize($data_mem);
}
echo $f;
echo "
";
echo "$key";
echo "
";
//print_r($data); 
foreach($data as $a)
{
echo "number is $a[id]";
echo "
";
echo "name is $a[name]";                    //突出显示信息的字体颜色
echo "
";
}
?>
//经常需要修改的地方已经标注了！而且这个测试脚本在Memcache软件中也有

客户端进行测试：
第一次进行访问
搭建Memcache服务详解
第二次进行访问（刷新之后）

在缓存过期之前，也可使用get来获取缓存所对应的值：

[root@PHP ~]# telnet 192.168.1.7 11211
Trying 192.168.1.7...
Connected to 192.168.1.7.
Escape character is '^]'.
get d8c961e9895ba4b463841924dbcefc2b
VALUE d8c961e9895ba4b463841924dbcefc2b 0 251
a:5:{i:0;a:2:{s:2:"id";s:1:"1";s:4:"name";s:4:"tom1";}i:1;a:2:{s:2:"id";s:1:"2";s:4:"name";s:4:"tom2";}i:2;a:2:{s:2:"id";s:1:"3";s:4:"name";s:4:"tom3";}i:3;a:2:{s:2:"id";s:1:"4";s:4:"name";s:4:"tom4";}i:4;a:2:{s:2:"id";s:1:"5";s:4:"name";s:4:"tom5";}}
END

—————————本文到此结束，感谢观看——————————

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重庆分公司，新征程启航

搭建Memcache服务详解

一、Memcache简介

二、Memcache工作流程

三、Memcache调度算法

（1）余数Hash

（2）一致性Hash

四、Memcache实现原理

1.Memcache的工作流程

2.Memcached的特征

五、安装Memcache

（1）安装nginx服务器

（2）安装PHP服务器

（3）安装MySQL数据库

（4）测试PHP与Nginx、MySQL的连通性

（5）安装Memcache服务器

（6）PHP服务器安装Memcache客户端

（7）使用 memcache 实现 session 共享

（8）测试Memcache缓存数据库

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