1. Memcached簡介

Memcached是以LiveJurnal旗下Danga Interactive公司的Bard Fitzpatric為首開發(fā)的高性能分布式內(nèi)存緩存服務(wù)器。其本質(zhì)上就是一個內(nèi)存key-value數(shù)據(jù)庫，但是不支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化，服務(wù)器關(guān)閉之后數(shù) 據(jù)全部丟失。Memcached使用C語言開發(fā)，在大多數(shù)像Linux、BSD和Solaris等POSIX系統(tǒng)上，只要安裝了libevent即可使 用。在Windows下，它也有一個可用的非官方版本(http://code.jellycan.com/memcached/)。Memcached 的客戶端軟件實現(xiàn)非常多，包括C/C++, PHP, Java, Python, Ruby, Perl, Erlang, Lua等。當(dāng)前Memcached使用廣泛，除了LiveJournal以外還有Wikipedia、Flickr、Twitter、Youtube和 WordPress等。

在Window系統(tǒng)下，Memcached的安裝非常方便，只需從以上給出的地址下載可執(zhí)行軟件然后運(yùn)行memcached.exe –d install即可完成安裝。在Linux等系統(tǒng)下，我們首先需要安裝libevent，然后從獲取源碼，make && make install即可。默認(rèn)情況下，Memcached的服務(wù)器啟動程序會安裝到/usr/local/bin目錄下。在啟動Memcached時，我們可 以為其配置不同的啟動參數(shù)。

1.1 Memcache配置

Memcached服務(wù)器在啟動時需要對關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行配置，下面我們就看一看Memcached在啟動時需要設(shè)定哪些關(guān)鍵參數(shù)以及這些參數(shù)的作用。

1）-p Memcached的TCP監(jiān)聽端口，缺省配置為11211；

2）-U Memcached的UDP監(jiān)聽端口，缺省配置為11211，為0時表示關(guān)閉UDP監(jiān)聽；

3）-s Memcached監(jiān)聽的UNIX套接字路徑；

4）-a 訪問UNIX套接字的八進(jìn)制掩碼，缺省配置為0700；

5）-l 監(jiān)聽的服務(wù)器IP地址，默認(rèn)為所有網(wǎng)卡；

6）-d 為Memcached服務(wù)器啟動守護(hù)進(jìn)程；

7）-r 最大core文件大小；

8）-u 運(yùn)行Memcached的用戶，如果當(dāng)前為root的話需要使用此參數(shù)指定用戶；

9）-m 分配給Memcached使用的內(nèi)存數(shù)量，單位是MB；

10）-M 指示Memcached在內(nèi)存用光的時候返回錯誤而不是使用LRU算法移除數(shù)據(jù)記錄；

11）-c 最大并發(fā)連數(shù)，缺省配置為1024；

12）-v –vv –vvv 設(shè)定服務(wù)器端打印的消息的詳細(xì)程度，其中-v僅打印錯誤和警告信息，-vv在-v的基礎(chǔ)上還會打印客戶端的命令和相應(yīng)，-vvv在-vv的基礎(chǔ)上還會打印內(nèi)存狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息；

13）-f 用于設(shè)置chunk大小的遞增因子；

14）-n 最小的chunk大小，缺省配置為48個字節(jié)；

15）-t Memcached服務(wù)器使用的線程數(shù)，缺省配置為4個；

16）-L 嘗試使用大內(nèi)存頁；

17）-R 每個事件的最大請求數(shù)，缺省配置為20個；

18）-C 禁用CAS，CAS模式會帶來8個字節(jié)的冗余；

2. Redis簡介

Redis是一個開源的key-value存儲系統(tǒng)。與Memcached類似，Redis將大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，支持的數(shù)據(jù)類型包括：字符 串、哈希表、鏈表、集合、有序集合以及基于這些數(shù)據(jù)類型的相關(guān)操作。Redis使用C語言開發(fā)，在大多數(shù)像Linux、BSD和Solaris等 POSIX系統(tǒng)上無需任何外部依賴就可以使用。Redis支持的客戶端語言也非常豐富，常用的計算機(jī)語言如C、C#、C++、Object-C、PHP、 Python、 Java、Perl、Lua、Erlang等均有可用的客戶端來訪問Redis服務(wù)器。當(dāng)前Redis的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，國內(nèi)像新浪、淘寶，國外像 Flickr、Github等均在使用Redis的緩存服務(wù)。

Redis的安裝非常方便，只需從http://redis.io/download獲取源碼，然后make && make install即可。默認(rèn)情況下，Redis的服務(wù)器啟動程序和客戶端程序會安裝到/usr/local/bin目錄下。在啟動Redis服務(wù)器時，我們 需要為其指定一個配置文件，缺省情況下配置文件在Redis的源碼目錄下，文件名為redis.conf。

2.1 Redis配置文件

為了對Redis的系統(tǒng)實現(xiàn)有一個直接的認(rèn)識，我們首先來看一下Redis的配置文件中定義了哪些主要參數(shù)以及這些參數(shù)的作用。

1）daemonize no 默認(rèn)情況下，redis不是在后臺運(yùn)行的。如果需要在后臺運(yùn)行，把該項的值更改為yes；

2）pidfile /var/run/redis.pid當(dāng)Redis在后臺運(yùn)行的時候，Redis默認(rèn)會把pid文件放在/var/run/redis.pid，你可以配置到其他地址。當(dāng)運(yùn)行多個redis服務(wù)時，需要指定不同的pid文件和端口；

3）port 6379指定redis運(yùn)行的端口，默認(rèn)是6379；

4）bind 127.0.0.1 指定redis只接收來自于該IP地址的請求，如果不進(jìn)行設(shè)置，那么將處理所有請求。在生產(chǎn)環(huán)境中最好設(shè)置該項；

5）loglevel debug 指定日志記錄級別，其中Redis總共支持四個級別：debug、verbose、notice、warning，默認(rèn)為verbose。debug表示 記錄很多信息，用于開發(fā)和測試。verbose表示記錄有用的信息，但不像debug會記錄那么多。notice表示普通的verbose，常用于生產(chǎn)環(huán) 境。warning 表示只有非常重要或者嚴(yán)重的信息會記錄到日志；

6）logfile /var/log/redis/redis.log 配置log文件地址，默認(rèn)值為stdout。若后臺模式會輸出到/dev/null；

7）databases 16 可用數(shù)據(jù)庫數(shù)，默認(rèn)值為16，默認(rèn)數(shù)據(jù)庫為0，數(shù)據(jù)庫范圍在0-（database-1）之間；

8）save 900 1保存數(shù)據(jù)到磁盤，格式為save ，指出在多長時間內(nèi)，有多少次更新操作，就將數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)文件rdb。相當(dāng)于條件觸發(fā)抓取快照，這個可以多個條件配合。 save 900 1就表示900秒內(nèi)至少有1個key被改變就保存數(shù)據(jù)到磁盤；

9）rdbcompression yes 存儲至本地數(shù)據(jù)庫時（持久化到rdb文件）是否壓縮數(shù)據(jù)，默認(rèn)為yes；

10）dbfilename dump.rdb本地持久化數(shù)據(jù)庫文件名，默認(rèn)值為dump.rdb；

11）dir ./ 工作目錄，數(shù)據(jù)庫鏡像備份的文件放置的路徑。這里的路徑跟文件名要分開配置是因為redis在進(jìn)行備份時，先會將當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)寫入到一個臨時文件中， 等備份完成時，再把該臨時文件替換為上面所指定的文件。而這里的臨時文件和上面所配置的備份文件都會放在這個指定的路徑當(dāng)中，AOF文件也會存放在這個目 錄下面。注意這里必須指定一個目錄而不是文件；

12）slaveof 主從復(fù)制，設(shè)置該數(shù)據(jù)庫為其他數(shù)據(jù)庫的從數(shù)據(jù)庫。設(shè)置當(dāng)本機(jī)為slave服務(wù)時，設(shè)置master服務(wù)的IP地址及端口。在Redis啟動時，它會自動從 master進(jìn)行數(shù)據(jù)同步；

13）masterauth 當(dāng)master服務(wù)設(shè)置了密碼保護(hù)時(用requirepass制定的密碼)slave服務(wù)連接master的密碼；

14）slave-serve-stale-data yes 當(dāng)從庫同主機(jī)失去連接或者復(fù)制正在進(jìn)行，從機(jī)庫有兩種運(yùn)行方式：如果slave-serve-stale-data設(shè)置為yes(默認(rèn)設(shè)置)，從庫會繼續(xù) 相應(yīng)客戶端的請求。如果slave-serve-stale-data是指為no，除去INFO和SLAVOF命令之外的任何請求都會返回一個錯 誤"SYNC with master in progress"；

15）repl-ping-slave-period 10從庫會按照一個時間間隔向主庫發(fā)送PING，可以通過repl-ping-slave-period設(shè)置這個時間間隔，默認(rèn)是10秒；

16）repl-timeout 60 設(shè)置主庫批量數(shù)據(jù)傳輸時間或者ping回復(fù)時間間隔，默認(rèn)值是60秒，一定要確保repl-timeout大于repl-ping-slave-period；

17）requirepass foobared 設(shè)置客戶端連接后進(jìn)行任何其他指定前需要使用的密碼。因為redis速度相當(dāng)快，所以在一臺比較好的服務(wù)器下，一個外部的用戶可以在一秒鐘進(jìn)行150K次的密碼嘗試，這意味著你需要指定非常強(qiáng)大的密碼來防止暴力破解；

18）rename-command CONFIG "" 命令重命名，在一個共享環(huán)境下可以重命名相對危險的命令，比如把CONFIG重名為一個不容易猜測的字符：# rename-command CONFIG b840fc02d524045429941cc15f59e41cb7be6c52。如果想刪除一個命令，直接把它重命名為一個空字符""即 可：rename-command CONFIG ""；

19）maxclients 128設(shè)置同一時間最大客戶端連接數(shù)，默認(rèn)無限制。Redis可以同時打開的客戶端連接數(shù)為Redis進(jìn)程可以打開的最大文件描述符數(shù)。如果設(shè)置 maxclients 0，表示不作限制。當(dāng)客戶端連接數(shù)到達(dá)限制時，Redis會關(guān)閉新的連接并向客戶端返回max number of clients reached錯誤信息；

20）maxmemory 指定Redis最大內(nèi)存限制。Redis在啟動時會把數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，達(dá)到最大內(nèi)存后，Redis會先嘗試清除已到期或即將到期的Key，Redis同 時也會移除空的list對象。當(dāng)此方法處理后，仍然到達(dá)最大內(nèi)存設(shè)置，將無法再進(jìn)行寫入操作，但仍然可以進(jìn)行讀取操作。注意：Redis新的vm機(jī)制，會 把Key存放內(nèi)存，Value會存放在swap區(qū)；

21）maxmemory-policy volatile-lru 當(dāng)內(nèi)存達(dá)到最大值的時候Redis會選擇刪除哪些數(shù)據(jù)呢？有五種方式可供選擇：volatile-lru代表利用LRU算法移除設(shè)置過過期時間的key (LRU:最近使用 Least Recently Used )，allkeys-lru代表利用LRU算法移除任何key，volatile-random代表移除設(shè)置過過期時間的隨機(jī) key，allkeys_random代表移除一個隨機(jī)的key，volatile-ttl代表移除即將過期的key(minor TTL)，noeviction代表不移除任何key，只是返回一個寫錯誤。

注意：對于上面的策略，如果沒有合適的key可以移除，寫的時候Redis會返回一個錯誤；

22）appendonly no 默認(rèn)情況下，redis會在后臺異步的把數(shù)據(jù)庫鏡像備份到磁盤，但是該備份是非常耗時的，而且備份也不能很頻繁。如果發(fā)生諸如拉閘限電、拔插頭等狀況，那 么將造成比較大范圍的數(shù)據(jù)丟失，所以redis提供了另外一種更加高效的數(shù)據(jù)庫備份及災(zāi)難恢復(fù)方式。開啟append only模式之后，redis會把所接收到的每一次寫操作請求都追加到appendonly.aof文件中。當(dāng)redis重新啟動時，會從該文件恢復(fù)出之 前的狀態(tài)，但是這樣會造成appendonly.aof文件過大，所以redis還支持了BGREWRITEAOF指令對appendonly.aof 進(jìn)行重新整理，你可以同時開啟asynchronous dumps 和 AOF；

23）appendfilename appendonly.aof AOF文件名稱,默認(rèn)為"appendonly.aof";

24）appendfsync everysec Redis支持三種同步AOF文件的策略: no代表不進(jìn)行同步，系統(tǒng)去操作，always代表每次有寫操作都進(jìn)行同步，everysec代表對寫操作進(jìn)行累積，每秒同步一次，默認(rèn) 是"everysec"，按照速度和安全折中這是最好的。

25）slowlog-log-slower-than 10000 記錄超過特定執(zhí)行時間的命令。執(zhí)行時間不包括I/O計算，比如連接客戶端，返回結(jié)果等，只是命令執(zhí)行時間。可以通過兩個參數(shù)設(shè)置slow log：一個是告訴Redis執(zhí)行超過多少時間被記錄的參數(shù)slowlog-log-slower-than(微妙)，另一個是slow log 的長度。當(dāng)一個新命令被記錄的時候最早的命令將被從隊列中移除，下面的時間以微妙微單位，因此1000000代表一分鐘。注意制定一個負(fù)數(shù)將關(guān)閉慢日志， 而設(shè)置為0將強(qiáng)制每個命令都會記錄；

26）hash-max-zipmap-entries 512 && hash-max-zipmap-value 64 當(dāng)hash中包含超過指定元素個數(shù)并且最大的元素沒有超過臨界時，hash將以一種特殊的編碼方式（大大減少內(nèi)存使用）來存儲，這里可以設(shè)置這兩個臨界 值。Redis Hash對應(yīng)Value內(nèi)部實際就是一個HashMap，實際這里會有2種不同實現(xiàn)。這個Hash的成員比較少時Redis為了節(jié)省內(nèi)存會采用類似一維數(shù) 組的方式來緊湊存儲，而不會采用真正的HashMap結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的value redisObject的encoding為zipmap。當(dāng)成員數(shù)量增大時會自動轉(zhuǎn)成真正的HashMap，此時encoding為ht；

27）list-max-ziplist-entries 512 list數(shù)據(jù)類型多少節(jié)點以下會采用去指針的緊湊存儲格式；

28）list-max-ziplist-value 64數(shù)據(jù)類型節(jié)點值大小小于多少字節(jié)會采用緊湊存儲格式；

29）set-max-intset-entries 512 set數(shù)據(jù)類型內(nèi)部數(shù)據(jù)如果全部是數(shù)值型，且包含多少節(jié)點以下會采用緊湊格式存儲；

30）zset-max-ziplist-entries 128 zsort數(shù)據(jù)類型多少節(jié)點以下會采用去指針的緊湊存儲格式；

31）zset-max-ziplist-value 64 zsort數(shù)據(jù)類型節(jié)點值大小小于多少字節(jié)會采用緊湊存儲格式。

32）activerehashing yes Redis將在每100毫秒時使用1毫秒的CPU時間來對redis的hash表進(jìn)行重新hash，可以降低內(nèi)存的使用。當(dāng)你的使用場景中，有非常嚴(yán)格的 實時性需要，不能夠接受Redis時不時的對請求有2毫秒的延遲的話，把這項配置為no。如果沒有這么嚴(yán)格的實時性要求，可以設(shè)置為yes，以便能夠盡可 能快的釋放內(nèi)存；

2.2 Redis的常用數(shù)據(jù)類型

與Memcached僅支持簡單的key-value結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)記錄不同，Redis支持的數(shù)據(jù)類型要豐富得多。最為常用的數(shù)據(jù)類型主要由五 種：String、Hash、List、Set和Sorted Set。在具體描述這幾種數(shù)據(jù)類型之前，我們先通過一張圖來了解下Redis內(nèi)部內(nèi)存管理中是如何描述這些不同數(shù)據(jù)類型的。

?圖1 Redis對象

Redis內(nèi)部使用一個redisObject對象來表示所有的key和value。redisObject最主要的信息如圖1所示：type代表 一個 value對象具體是何種數(shù)據(jù)類型，encoding是不同數(shù)據(jù)類型在redis內(nèi)部的存儲方式，比如：type=string代表value存儲的是一 個普通字符串，那么對應(yīng)的encoding可以是raw或者是int，如果是int則代表實際redis內(nèi)部是按數(shù)值型類存儲和表示這個字符串的，當(dāng)然前 提是這個字符串本身可以用數(shù)值表示，比如:"123" "456"這樣的字符串。這里需要特殊說明一下vm字段，只有打開了Redis的虛擬內(nèi)存功能，此字段才會真正的分配內(nèi)存，該功能默認(rèn)是關(guān)閉狀態(tài)的。通過 Figure1我們可以發(fā)現(xiàn)Redis使用redisObject來表示所有的key/value數(shù)據(jù)是比較浪費(fèi)內(nèi)存的，當(dāng)然這些內(nèi)存管理成本的付出主要 也是為了給Redis不同數(shù)據(jù)類型提供一個統(tǒng)一的管理接口，實際作者也提供了多種方法幫助我們盡量節(jié)省內(nèi)存使用。下面我們先來逐一的分析下這五種數(shù)據(jù)類型 的使用和內(nèi)部實現(xiàn)方式。

1）String

常用命令：set/get/decr/incr/mget等；

應(yīng)用場景：String是最常用的一種數(shù)據(jù)類型，普通的key/value存儲都可以歸為此類；

實現(xiàn)方式：String在redis內(nèi)部存儲默認(rèn)就是一個字符串，被redisObject所引用，當(dāng)遇到incr、decr等操作時會轉(zhuǎn)成數(shù)值型進(jìn)行計算，此時redisObject的encoding字段為int。

2）Hash

常用命令：hget/hset/hgetall等

應(yīng)用場景：我們要存儲一個用戶信息對象數(shù)據(jù)，其中包括用戶ID、用戶姓名、年齡和生日，通過用戶ID我們希望獲取該用戶的姓名或者年齡或者生日；

實現(xiàn)方式：Redis的Hash實際是內(nèi)部存儲的Value為一個HashMap，并提供了直接存取這個Map成員的接口。如圖2所示，Key是用 戶 ID, value是一個Map。這個Map的key是成員的屬性名，value是屬性值。這樣對數(shù)據(jù)的修改和存取都可以直接通過其內(nèi)部Map的 Key(Redis里稱內(nèi)部Map的key為field), 也就是通過 key(用戶ID) + field(屬性標(biāo)簽) 就可以操作對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。當(dāng)前HashMap的實現(xiàn)有兩種方式：當(dāng)HashMap的成員比較少時Redis為了節(jié)省內(nèi)存會采用類似一維數(shù)組的方式來緊湊存 儲，而不會采用真正的HashMap結(jié)構(gòu)，這時對應(yīng)的value的redisObject的encoding為zipmap，當(dāng)成員數(shù)量增大時會自動轉(zhuǎn)成 真正的HashMap,此時encoding為ht。

?圖2 Redis的Hash數(shù)據(jù)類型

3）List

常用命令：lpush/rpush/lpop/rpop/lrange等；

應(yīng)用場景：Redis list的應(yīng)用場景非常多，也是Redis最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，比如twitter的關(guān)注列表，粉絲列表等都可以用Redis的list結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；

實現(xiàn)方式：Redis list的實現(xiàn)為一個雙向鏈表，即可以支持反向查找和遍歷，更方便操作，不過帶來了部分額外的內(nèi)存開銷，Redis內(nèi)部的很多實現(xiàn)，包括發(fā)送緩沖隊列等也都是用的這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4）Set

常用命令：sadd/spop/smembers/sunion等；

應(yīng)用場景：Redis set對外提供的功能與list類似是一個列表的功能，特殊之處在于set是可以自動排重的，當(dāng)你需要存儲一個列表數(shù)據(jù)，又不希望出現(xiàn)重復(fù)數(shù)據(jù)時，set 是一個很好的選擇，并且set提供了判斷某個成員是否在一個set集合內(nèi)的重要接口，這個也是list所不能提供的；

實現(xiàn)方式：set 的內(nèi)部實現(xiàn)是一個 value永遠(yuǎn)為null的HashMap，實際就是通過計算hash的方式來快速排重的，這也是set能提供判斷一個成員是否在集合內(nèi)的原因。

5）Sorted Set

常用命令：zadd/zrange/zrem/zcard等；

應(yīng)用場景：Redis sorted set的使用場景與set類似，區(qū)別是set不是自動有序的，而sorted set可以通過用戶額外提供一個優(yōu)先級(score)的參數(shù)來為成員排序，并且是插入有序的，即自動排序。當(dāng)你需要一個有序的并且不重復(fù)的集合列表，那么 可以選擇sorted set數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如twitter 的public timeline可以以發(fā)表時間作為score來存儲，這樣獲取時就是自動按時間排好序的。

實現(xiàn)方式：Redis sorted set的內(nèi)部使用HashMap和跳躍表(SkipList)來保證數(shù)據(jù)的存儲和有序，HashMap里放的是成員到score的映射，而跳躍表里存放的 是所有的成員，排序依據(jù)是HashMap里存的score,使用跳躍表的結(jié)構(gòu)可以獲得比較高的查找效率，并且在實現(xiàn)上比較簡單。

2.3 Redis的持久化

Redis雖然是基于內(nèi)存的存儲系統(tǒng)，但是它本身是支持內(nèi)存數(shù)據(jù)的持久化的，而且提供兩種主要的持久化策略：RDB快照和AOF日志。我們會在下文分別介紹這兩種不同的持久化策略。

2.3.1 Redis的AOF日志

Redis支持將當(dāng)前數(shù)據(jù)的快照存成一個數(shù)據(jù)文件的持久化機(jī)制，即RDB快照。這種方法是非常好理解的，但是一個持續(xù)寫入的數(shù)據(jù)庫如何生成快照 呢？Redis借助了fork命令的copy on write機(jī)制。在生成快照時，將當(dāng)前進(jìn)程fork出一個子進(jìn)程，然后在子進(jìn)程中循環(huán)所有的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫成為RDB文件。

我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照生成的時機(jī)，比如你可以配置當(dāng)10分鐘以內(nèi)有100次寫入就生成快照，也可以配置當(dāng)1小時內(nèi) 有 1000次寫入就生成快照，也可以多個規(guī)則一起實施。這些規(guī)則的定義就在Redis的配置文件中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis運(yùn)行時設(shè)置規(guī)則，不需要重啟Redis。

Redis的RDB文件不會壞掉，因為其寫操作是在一個新進(jìn)程中進(jìn)行的，當(dāng)生成一個新的RDB文件時，Redis生成的子進(jìn)程會先將數(shù)據(jù)寫到一個臨 時文件中，然后通過原子性rename系統(tǒng)調(diào)用將臨時文件重命名為RDB文件，這樣在任何時候出現(xiàn)故障，Redis的RDB文件都總是可用的。同 時，Redis 的RDB文件也是Redis主從同步內(nèi)部實現(xiàn)中的一環(huán)。

但是，我們可以很明顯的看到，RDB有他的不足，就是一旦數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題，那么我們的RDB文件中保存的數(shù)據(jù)并不是全新的，從上次RDB文件生成到 Redis停機(jī)這段時間的數(shù)據(jù)全部丟掉了。在某些業(yè)務(wù)下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業(yè)務(wù)使用RDB的方式進(jìn)行持久化，因為開啟RDB的代價并不高。 但是對于另外一些對數(shù)據(jù)安全性要求極高的應(yīng)用，無法容忍數(shù)據(jù)丟失的應(yīng)用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機(jī)制：AOF日志。

2.3.2 Redis的AOF日志

AOF日志的全稱是append only file，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日志文件。與一般數(shù)據(jù)庫的binlog不同的是，AOF文件是可識別的純文本，它的內(nèi)容就是一個個 的Redis標(biāo)準(zhǔn)命令。當(dāng)然，并不是發(fā)送發(fā)Redis的所有命令都要記錄到AOF日志里面，只有那些會導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生修改的命令才會追加到AOF文件。那么 每一條修改數(shù)據(jù)的命令都生成一條日志，那么AOF文件是不是會很大？答案是肯定的，AOF文件會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF文件，新的AOF文件中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老文件那樣，可能記錄了對同一個值的多次操 作。其生成過程和RDB類似，也是fork一個進(jìn)程，直接遍歷數(shù)據(jù)，寫入新的AOF臨時文件。在寫入新文件的過程中，所有的寫操作日志還是會寫到原來老的 AOF文件中，同時還會記錄在內(nèi)存緩沖區(qū)中。當(dāng)重完操作完成后，會將所有緩沖區(qū)中的日志一次性寫入到臨時文件中。然后調(diào)用原子性的rename命令用新的 AOF文件取代老的AOF文件。

AOF是一個寫文件操作，其目的是將操作日志寫到磁盤上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那么寫AOF的操作安全性又有多高呢。 實際上這是可以設(shè)置的，在Redis中對AOF調(diào)用write(2)寫入后，何時再調(diào)用fsync將其寫到磁盤上，通過appendfsync選項來控 制，下面 appendfsync的三個設(shè)置項，安全強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)。

1）appendfsync no

當(dāng)設(shè)置appendfsync為no的時候，Redis不會主動調(diào)用fsync去將AOF日志內(nèi)容同步到磁盤，所以這一切就完全依賴于操作系統(tǒng)的調(diào)試了。對大多數(shù)Linux操作系統(tǒng)，是每30秒進(jìn)行一次fsync，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到磁盤上。

2）appendfsync everysec

當(dāng)設(shè)置appendfsync為everysec的時候，Redis會默認(rèn)每隔一秒進(jìn)行一次fsync調(diào)用，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到磁盤。但是當(dāng)這一 次的 fsync調(diào)用時長超過1秒時。Redis會采取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒后再進(jìn)行fsync，這一次的fsync就不管會執(zhí)行多 長時間都會進(jìn)行。這時候由于在fsync時文件描述符會被阻塞，所以當(dāng)前的寫操作就會阻塞。所以結(jié)論就是，在絕大多數(shù)情況下，Redis會每隔一秒進(jìn)行一 次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進(jìn)行一次fsync操作。這一操作在大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的數(shù)據(jù)，一次性將日志寫到磁盤。

3）appednfsync always

當(dāng)設(shè)置appendfsync為always時，每一次寫操作都會調(diào)用一次fsync，這時數(shù)據(jù)是最安全的，當(dāng)然，由于每次都會執(zhí)行fsync，所以其性能也會受到影響。

3. Memcached和Redis關(guān)鍵技術(shù)對比

作為內(nèi)存數(shù)據(jù)緩沖系統(tǒng)，Memcached和Redis均具有很高的性能，但是兩者在關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)上具有很大差異，這種差異決定了兩者具有不同的特點和不同的適用條件。下面我們會對兩者的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行一些對比，以此來揭示兩者的差異。

3.1 Memcached和Redis的內(nèi)存管理機(jī)制對比

對于像Redis和Memcached這種基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來說，內(nèi)存管理的效率高低是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)C語言中的 malloc/free函數(shù)是最常用的分配和釋放內(nèi)存的方法，但是這種方法存在著很大的缺陷：首先，對于開發(fā)人員來說不匹配的malloc和free容易 造成內(nèi)存泄露；其次，頻繁調(diào)用會造成大量內(nèi)存碎片無法回收重新利用，降低內(nèi)存利用率；最后，作為系統(tǒng)調(diào)用，其系統(tǒng)開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般函數(shù)調(diào)用。所以，為了提 高內(nèi)存的管理效率，高效的內(nèi)存管理方案都不會直接使用malloc/free調(diào)用。Redis和Memcached均使用了自身設(shè)計的內(nèi)存管理機(jī)制，但是 實現(xiàn)方法存在很大的差異，下面將會對兩者的內(nèi)存管理機(jī)制分別進(jìn)行介紹。

3.1.1 Memcached的內(nèi)存管理機(jī)制

Memcached默認(rèn)使用Slab Allocation機(jī)制管理內(nèi)存，其主要思想是按照預(yù)先規(guī)定的大小，將分配的內(nèi)存分割成特定長度的塊以存儲相應(yīng)長度的key-value數(shù)據(jù)記錄，以完 全解決內(nèi)存碎片問題。Slab Allocation機(jī)制只為存儲外部數(shù)據(jù)而設(shè)計，也就是說所有的key-value數(shù)據(jù)都存儲在Slab Allocation系統(tǒng)里，而Memcached的其它內(nèi)存請求則通過普通的malloc/free來申請，因為這些請求的數(shù)量和頻率決定了它們不會對 整個系統(tǒng)的性能造成影響

Slab Allocation的原理相當(dāng)簡單。如圖3所示，它首先從操作系統(tǒng)申請一大塊內(nèi)存，并將其分割成各種尺寸的塊Chunk，并把尺寸相同的塊分成組 Slab Class。其中，Chunk就是用來存儲key-value數(shù)據(jù)的最小單位。每個Slab Class的大小，可以在Memcached啟動的時候通過制定Growth Factor來控制。假定Figure 1中Growth Factor的取值為1.25，所以如果第一組Chunk的大小為88個字節(jié)，第二組Chunk的大小就為112個字節(jié)，依此類推。

?圖3 Memcached內(nèi)存管理架構(gòu)

當(dāng)Memcached接收到客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時首先會根據(jù)收到數(shù)據(jù)的大小選擇一個最合適的Slab Class，然后通過查詢Memcached保存著的該Slab Class內(nèi)空閑Chunk的列表就可以找到一個可用于存儲數(shù)據(jù)的Chunk。當(dāng)一條數(shù)據(jù)庫過期或者丟棄時，該記錄所占用的Chunk就可以回收，重新添 加到空閑列表中。從以上過程我們可以看出Memcached的內(nèi)存管理制效率高，而且不會造成內(nèi)存碎片，但是它最大的缺點就是會導(dǎo)致空間浪費(fèi)。因為每個 Chunk都分配了特定長度的內(nèi)存空間，所以變長數(shù)據(jù)無法充分利用這些空間。如圖 4所示，將100個字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存到128個字節(jié)的Chunk中，剩余的28個字節(jié)就浪費(fèi)掉了。

?圖4 Memcached的存儲空間浪費(fèi)

3.1.2 Redis的內(nèi)存管理機(jī)制

Redis的內(nèi)存管理主要通過源碼中zmalloc.h和zmalloc.c兩個文件來實現(xiàn)的。Redis為了方便內(nèi)存的管理，在分配一塊內(nèi)存之 后，會將這塊內(nèi)存的大小存入內(nèi)存塊的頭部。如圖 5所示，real_ptr是redis調(diào)用malloc后返回的指針。redis將內(nèi)存塊的大小size存入頭部，size所占據(jù)的內(nèi)存大小是已知的，為 size_t類型的長度，然后返回ret_ptr。當(dāng)需要釋放內(nèi)存的時候，ret_ptr被傳給內(nèi)存管理程序。通過ret_ptr，程序可以很容易的算出 real_ptr的值，然后將real_ptr傳給free釋放內(nèi)存。

?圖5 Redis塊分配

Redis通過定義一個數(shù)組來記錄所有的內(nèi)存分配情況，這個數(shù)組的長度為ZMALLOC_MAX_ALLOC_STAT。數(shù)組的每一個元素代表當(dāng)前 程序所分配的內(nèi)存塊的個數(shù)，且內(nèi)存塊的大小為該元素的下標(biāo)。在源碼中，這個數(shù)組為zmalloc_allocations。 zmalloc_allocations[16]代表已經(jīng)分配的長度為16bytes的內(nèi)存塊的個數(shù)。zmalloc.c中有一個靜態(tài)變量 used_memory用來記錄當(dāng)前分配的內(nèi)存總大小。所以，總的來看，Redis采用的是包裝的mallc/free，相較于Memcached的內(nèi)存 管理方法來說，要簡單很多。

3.2 Redis和Memcached的集群實現(xiàn)機(jī)制對比

Memcached是全內(nèi)存的數(shù)據(jù)緩沖系統(tǒng)，Redis雖然支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化，但是全內(nèi)存畢竟才是其高性能的本質(zhì)。作為基于內(nèi)存的存儲系統(tǒng)來說，機(jī) 器物理內(nèi)存的大小就是系統(tǒng)能夠容納的最大數(shù)據(jù)量。如果需要處理的數(shù)據(jù)量超過了單臺機(jī)器的物理內(nèi)存大小，就需要構(gòu)建分布式集群來擴(kuò)展存儲能力。

3.2.1 Memcached的分布式存儲

Memcached本身并不支持分布式，因此只能在客戶端通過像一致性哈希這樣的分布式算法來實現(xiàn)Memcached的分布式存儲。圖6 給出了Memcached的分布式存儲實現(xiàn)架構(gòu)。當(dāng)客戶端向Memcached集群發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先會通過內(nèi)置的分布式算法計算出該條數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點， 然后數(shù)據(jù)會直接發(fā)送到該節(jié)點上存儲。但客戶端查詢數(shù)據(jù)時，同樣要計算出查詢數(shù)據(jù)所在的節(jié)點，然后直接向該節(jié)點發(fā)送查詢請求以獲取數(shù)據(jù)。

?圖6 Memcached客戶端分布式存儲實現(xiàn)

3.2.2 Redis的分布式存儲

相較于Memcached只能采用客戶端實現(xiàn)分布式存儲，Redis更偏向于在服務(wù)器端構(gòu)建分布式存儲。盡管Redis當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的穩(wěn)定版本還沒 有添加分布式存儲功能，但Redis開發(fā)版中已經(jīng)具備了Redis Cluster的基本功能。預(yù)計在2.6版本之后，Redis就會發(fā)布完全支持分布式的穩(wěn)定版本，時間不晚于2012年底。下面我們會根據(jù)開發(fā)版中的實 現(xiàn)，簡單介紹一下Redis Cluster的核心思想。

Redis Cluster是一個實現(xiàn)了分布式且允許單點故障的Redis高級版本，它沒有中心節(jié)點，具有線性可伸縮的功能。圖7給出Redis Cluster的分布式存儲架構(gòu)，其中節(jié)點與節(jié)點之間通過二進(jìn)制協(xié)議進(jìn)行通信，節(jié)點與客戶端之間通過ascii協(xié)議進(jìn)行通信。在數(shù)據(jù)的放置策略 上，Redis Cluster將整個key的數(shù)值域分成4096個哈希槽，每個節(jié)點上可以存儲一個或多個哈希槽，也就是說當(dāng)前Redis Cluster支持的最大節(jié)點數(shù)就是4096。Redis Cluster使用的分布式算法也很簡單：crc16( key ) % HASH_SLOTS_NUMBER。

?圖7 Redis分布式架構(gòu)

為了保證單點故障下的數(shù)據(jù)可用性，Redis Cluster引入了Master節(jié)點和Slave節(jié)點。如圖4所示，在Redis Cluster中，每個Master節(jié)點都會有對應(yīng)的兩個用于冗余的Slave節(jié)點。這樣在整個集群中，任意兩個節(jié)點的宕機(jī)都不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不可用。當(dāng) Master節(jié)點退出后，集群會自動選擇一個Slave節(jié)點成為新的Master節(jié)點。

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圖8 Redis Cluster中的Master節(jié)點和Slave節(jié)點

3.3 Redis和Memcached整體對比

Redis的作者Salvatore Sanfilippo曾經(jīng)對這兩種基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)進(jìn)行過比較，總體來看還是比較客觀的，現(xiàn)總結(jié)如下：

1）性能對比：由于Redis只使用單核，而Memcached可以使用多核，所以平均每一個核上Redis在存儲小數(shù)據(jù)時比Memcached性 能更高。而在100k以上的數(shù)據(jù)中，Memcached性能要高于Redis，雖然Redis最近也在存儲大數(shù)據(jù)的性能上進(jìn)行優(yōu)化，但是比起 Memcached，還是稍有遜色。

2）內(nèi)存使用效率對比：使用簡單的key-value存儲的話，Memcached的內(nèi)存利用率更高，而如果Redis采用hash結(jié)構(gòu)來做key-value存儲，由于其組合式的壓縮，其內(nèi)存利用率會高于Memcached。

3）Redis支持服務(wù)器端的數(shù)據(jù)操作：Redis相比Memcached來說，擁有更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和并支持更豐富的數(shù)據(jù)操作，通常在 Memcached 里，你需要將數(shù)據(jù)拿到客戶端來進(jìn)行類似的修改再set回去。這大大增加了網(wǎng)絡(luò)IO的次數(shù)和數(shù)據(jù)體積。在Redis中，這些復(fù)雜的操作通常和一般的 GET/SET一樣高效。所以，如果需要緩存能夠支持更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和操作，那么Redis會是不錯的選擇。

redis和memcache的對比