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learn.lianglianglee.com/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/13 如何完整学习MC协议及优化client访问？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>13 如何完整学习MC协议及优化client访问？</h1>
<p>你好，我是你的缓存课老师陈波，欢迎进入第 13 课时“Memcached 协议分析”的学习。</p>
<h6>协议分析</h6>
<h6>异常错误响应</h6>
<p>接下来，我们来完整学习 Mc 协议。在学习 Mc 协议之前，首先来看看 Mc 处理协议指令，如果发现异常，如何进行异常错误响应的。Mc 在处理所有 client 端指令时，如果遇到错误，就会返回 3 种错误信息中的一种。</p>
<ul>
<li>第一种错误是协议错误，一个&quot;ERROR\r\n&quot;的字符串。表明 client 发送了一个非法命令。</li>
<li>第二种错误是 client 错误，格式为&quot;CLIENT_ERROR &lt;error-描述信息&gt;\r\n&quot;。这个错误信息表明 ，client 发送的协议命令格式有误，比如少了字段、多了非法字段等。</li>
<li>第三种错误是&quot;SERVER_ERROR &lt;error-描述信息&gt;\r\n&quot;。这个错误信息表明 Mc server 端，在处理命令时出现的错误。比如在给 key/value 分配 Item 空间失败后，会返回&quot;SERVER_ERROR out of memory storing object&quot; 错误信息。</li>
</ul>
<h6>存储协议命令</h6>
<p>现在再来看看 Mc 的存储协议。Mc 的存储协议命令不多，只有 6 个。</p>
<p>Mc 存储指令分 2 行。第一行是报文首部，第二行是 value 的 data block 块。这两部分用 \r\n 来进行分割和收尾。</p>
<p>存储类指令的报文首行分 2 种格式，其中一种是在 cmd 存储指令，后面跟 key、flags、expiretime、value 字节数，以及一个可选的 noreply。</p>
<p>其中 flags 是用户自己设计的一个特殊含义数字，Mc 对 flag 只存储，而不进行任何额外解析处理，expiretime 是 key 的过期时间，value 字节数是 value block 块的字节长度，而带上 noreply 是指 Mc 处理完后静默处理，不返回任何响应给 client。</p>
<p>这种 cmd 指令包括我们最常用的 set 指令，另外还包括 add、replace、append、reppend ，总共 5 个指令：</p>
<ul>
<li>Set 命令用于存储一个 key/value；</li>
<li>Add 命令是在当 key 不存在时，才存储这个 key/value；</li>
<li>Replace 命令，是当 key 存在时，才存储这个 key/value；</li>
<li>Append 命令，是当 key 存在时，追加 data 到 value 的尾部；</li>
<li>Prepend 命令，是当 key 存在时，将 data 加到 value 的头部。</li>
</ul>
<p>另外一种存储协议指令，主要格式和字段与前一种基本相同，只是多了一个 cas unique id，这种格式只有 cas 指令使用。cas 指令是指只有当这个 key 存在，且从本 client 获取以来，没有其他任何人修改过时，才进行修改。cas 的英文含义是 compare and set，即比较成功后设置的意思。</p>
<h6>存储命令响应</h6>
<p>Mc 在响应存储协议时，如果遇到错误，就返回前面说的3种错误信息中的一种。否则就会返回如下 4 种正常的响应，&quot;STORED\r\n”、&quot;EXISTS\r\n”、&quot;NOT_STORED\r\n&quot;、&quot;NOT_FOUND\r\n“。</p>
<p>其中，stored 表明存储修改成功。NOT_STORED 表明数据没有存储成功，但并不是遇到错误或异常。这个响应一般表明 add 或 replace 等指令，前置条件不满足时，比如 add，这个 key 已经存在 Mc，就会 add 新 key 失败。replace 时， key 不存在，也无法 replace 成功。EXISTS 表明待 cas 的key 已经被修改过了，而 NOT_FOUND 是指待 cas 的 key 在 Mc 中不存在。</p>
<p>Mc 对存储命令的请求及响应协议，可以参考下面的思维导图来有一个完整的印象。</p>
<p><img src="assets/CgotOV2lNqOABAkvAAC0oNkHCok972.png" alt="img" /></p>
<h6>获取命令</h6>
<p>Mc 的获取协议，只有 get、gets 两种指令，如下图所示。格式为 get/gets 后，跟随若干个 key，然后 \r\n 结束请求命令。get 指令只获取 key 的 flag 及 value，gets 会额外多获取一个 cas unique id值。gets 主要是为 cas 指令服务的。</p>
<p>获取命令的响应，就是 value 字串，后面跟上 key、flag、value 字节数，以及 value 的 data block 块。最后跟一个 END\r\n 表明所有存在的 key/value 已经返回，如果没有返回的 key，则表明这个 key 在 Mc 中不存在。</p>
<p><img src="assets/CgoB5l2lNqOAd_DsAADGwh4XXXo008.png" alt="img" /></p>
<h6>其他指令</h6>
<p>Mc 的其他协议指令包括 delete、incr、decr、touch、gat、gats、slabs、lru、stats 这 9 种指令。</p>
<p>其中 delete 用于删除一个 key。</p>
<p>incr/decr 用于对一个无符号长整型数字进行加或减。</p>
<p>touch、gat、gats 是 Mc 后来增加的指令，都可以用来修改 key 的过期时间。不同点是 touch 只修改 key 的过期时间，不获取 key对应的value。</p>
<p>而 gat、gats 指令，不仅会修改 key 的过期时间，还会获取 key 对应的 flag 和 value 数据。gats 同 gets，还会额外获取 cas 唯一 id 值。</p>
<p>Slabs reassign 用于在 Mc 内存达到设定上限后，将 slab 重新在不同的 slabclass 之间分配。这样可以规避 Mc 启动后自动分配而产生随机性，使特殊 size 的数据也得到较好的命中率。Slabs automove 是一个开关指令，当打开时，就允许 Mc 后台线程自行决定何时将 slab 在slabclass 之间重新分配。</p>
<p>lru 指令用于 Mc LRU 的设置和调优。比如 LRU tune 用于设置 HOT、WARM LRU 的内存占比。LRU mode 用来设置 Mc 只使用 COLD LRU，还是使用新版的 4 个 LRU 的新策略。LRU TEMP_TTL 用来设置 Mc 的 TEMP LRU 的TTL值，默认是 61s，小于这个 TMEP_TTL 的 key会被插入到 TEMP LRU。</p>
<p>Stats 用于获取 Mc 的各种统计数据。Stats 后面可以跟 statistics、slabs、size 等参数，来进一步获取更多不同的详细统计。</p>
<h6>Client 使用</h6>
<p>Mc 在互联网企业应用广泛，热门语言基本都有 Mc client 的实现。以 Java 语言为例，互联网业界广泛使用的有 Memcached-Java-Client、SpyMemcached、Xmemcached 等。</p>
<p>Memcached-Java-Client 推出时间早，10 年前就被广泛使用，这个 client 性能一般，但足够稳定，很多互联网企业至今仍在使用。不过这个 client 几年前就停止了更新。</p>
<p>SpyMemcached 出现的比较晚，性能较好，但高并发访问场景，稳定性欠缺。近几年</p>
<p>变更很少，基本停止了更新。</p>
<p>Xmemcached 性能较好，综合表现最佳。而且社区活跃度高，近些年也一直在持续更新中。Java 新项目启动，推荐使用 Xmemcached。</p>
<p>在使用 Mc client 时，有一些通用性的调优及改进方案。比如，如果读写的 key/value 较大，需要设置更大的缓冲 buf，以提高性能。在一些业务场景中，需要启用 TCP_NODELAY，避免 40ms 的延迟问题。同时，如果存取的 key/value size 较大，可以设置一个压缩阀值，超过阀值，就对value 进行压缩算法，减少读写及存储的空间。</p>
<p>为了避免缓存雪崩，并更好地应对极热 key 及洪水流量的问题，还可以对 Mc client 进行封装，加入多副本、多层级策略，使 Mc 缓存系统在任何场景下，都可做到高可用、高性能。</p>
<p>讲到这里，Mc 的核心知识点就基本讲完了，知识点结构图如下所示。</p>
<p><img src="assets/CgotOV2lNqOAbxgDAAFIRc23upk013.png" alt="img" /></p>
<p>回顾一下最近几节课的内容。首先，学习了 Mc 的系统架构，学习了 Mc 基于 libevent 的网络模型，学习了 Mc 的多线程处理，包括主线程、工作线程如何进行网络 IO 协调及处理，学习了 Mc 的状态机。然后，继续学习了 Mc 用于定位 key 的哈希表，学习了用于数据生命周期管理的 LRU，还学习 slab 分配机制，以及 Mc 数据的存储机理。最后，还完整学习了 Mc的协议，了解了以 Java 语言为例的 3 种 Mc client，以及 Mc client 在线上使用过程中，如何进行调优及改进。</p>
<p>根据下面 Mc 协议的思维导图，查看自己是否对所有指令都有理解，可以结合 Mc 的协议文档，启动一个 Mc 实例，进行各个命令的实际操练。</p>
<p><img src="assets/CgoB5l2lNqOASrF2AADzbaPtWVI518.png" alt="img" /></p>
</div>
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