分布式緩存技術memcached學習系列（三）——memcached內存管理機制

文章出處

幾個重要概念

Slab

memcached通過slab機制進行內存的分配和回收，slab是一個內存塊，它是memcached一次申請內存的最小單位，。在啟動memcached的時候一般會使用參數-m指定其可用內存，但是并不是在啟動的那一刻所有的內存就全部分配出去了，只有在需要的時候才會去申請，而且每次申請一定是一個slab。Slab的大小固定為1MB（1MB=1024KB=1024×1024B=1048576B，1048576字節），一個slab由若干個大小相等的chunk組成。

Slab的分類

根據chunk的大小而將Slab分為不同的類，chunk大小的增幅由增長因子factor決定。根據memcached版本的不同而分類也各有不同，-vv查詢分類。

Chunk

chunk是Slab的組成單位，每個Slab都被分割成大小相等的chunk，分割Slab時，不夠一個chunk大小的內存空間將被不可以避免的浪費（內存碎片化）。每個chunk中都保存了一個item結構體，item結構體由屬性域和數據域組成，數據域中有一個變長數據data，是真正存儲緩存記錄key和value的地方。

圖memcached Slab 分類示意圖

源碼

typedef struct _stritem {

//屬性域

struct _stritem *next;

struct _stritem *prev;

......

//數據域

union {

uint64_t cas;

char end;

} data[];

} item;

Chunk的計算

對于Slab 分類 i，求Slab 分類 i中的chunk的大小：

chunkSize = (default_size + item_size)*f^(i-1) + CHUNK_ALIGN_BYTES

各參數含義：

l i，分類

l default_size，默認大小為48字節，也就是item結構體中數據域的大小為48字節，可以通過-n參數來調節其大小

l item_size， item結構體的長度，固定為32字節

l f，factor，增長因子，是chunk變化大小的因素，默認值為1.25，調節f可以改變chunk的增幅，在啟動時可以使用-f來指定

l CHUNK_ALIGH_BYTES 是一個長常量值，用來保證chunk的大小是這個常量值的整數倍，防止越界。CHUNK_ALIGH_BYTES 大小為sizeof(void *)

例如：void *的長度在不同系統上不一樣，在32位機器上，sizeof(void *)值為4

所以，在32為的系統中，Slab 分類1中chunk的大小為：

chunkSize1 = (48 + 32)* 1.25^(1-1) + 4 = 84（有待驗證）

從chunkSize的計算公式可以看出，可以通過調節-n，-f參數來調整chunk的大小，這也是實際中mecahced調優的關鍵，合理的調節-n，-f參數以充分利用內存資源，盡可能的減少內存碎片化。

內存分配

當我們通過add命令向memcached中添加一條記錄的時候，memcached會根據數據的大小選擇合適的slab，memcached維護著slab中空閑的chunk列表，并從中選擇一塊分配給要添加的記錄。

如要存的item大小為100byte，chunk大小為80byte的slab將存不下，而chunk大小為120byte的slab又有剩余，此時memcached會將數據存到chunk大小為120byte的slab中。而剩余的20byte空間將不可避免的浪費。

需要注意的是，當chunk大小為120byte的slab已經滿時，memcached并不會尋找更大chunk的slab，如chunk大小為140byte的slab來存儲，而是把chunk大小為120byte的slab中的舊數據踢掉。

增長因子調優

memcached 在啟動時可以通過f 選項指定增長因子，默認為1.25。增長因子的不同，chunk大小也不同，應根據實際情況，指定合理的增長因子避免過多的內存空間浪費。

過期數據惰性刪除

Memcached中，當某個chunk 中的數據過期后，并不會馬上從內存中刪除，因此，使用stats 統計時，curr_item中仍然有其信息，直到新的數據占用該chunk ；當試圖去get改數據時，先判斷是否過期，如果過期則返回空并清空chunk，curr_item減1。過期數據不會馬上刪除，這種機制稱為lazy expiration，即惰性失效，好處是不需要另外去檢查數據是否失效，節省了CUP的檢測成本。