阿里改造后的memcached客户端源码详解
源码分析
memcached本身是一个集中式的内存缓存系统，对于分布式的支持服务端并没有实现，只有通过客户端实现；再者，memcached是基于TCP/UDP进行通信,只要客户端语言支持TCP/UDP即可实现客户端,并且可以根据需要进行功能扩展,memchaced-client-forjava 既是使用java语言实现的客户端,并且实现了自己的功能扩展.
几个重要类的说明:
MemcachedCacheManager:管理类,负责缓存服务端,客户端,以及相关资源池的初始化工作,获取客户端等等
MemcachedCache：memcached缓存实体类,实现了所有的缓存API,实际上也会调用MemcachedClient进行操作
MemcachedClient：memcached缓存客户端,一个逻辑概念,负责与服务端实例的实际交互，通过调用sockiopool中的socket
SockIOPool:socket连接资源池,负责与memcached服务端进行交互
ClusterProcessor:集群内数据异步操作工具类
客户端可配置化
MemcachedCacheManager是入口,其start方法读取配置文件memcached.xml,初始化各个组建,包括memcached客户端,socket连接池以及集群节点.
memcached客户端是个逻辑概念,并不是和memcached服务端实例一一对应的,可以认为其是一个逻辑环上的某个节点,后面会讲到hash一致性算法时涉及,该配置文件中，可配置一个或多个客户端，每个客户端可配置一个socketPool连接池,如下:
192.168.1.66:11211,192.168.1.68:11211
初始化过程
上文提及的MemcachedCacheManager，该类功能包括有初始化各种资源池，获取所有客户端，重新加载配置文件以及集群复制等。我们重点分析方法start，该方法首先加载配置文件，然后初始化资源池，即方法initMemCacheClientPool，该方法中定义了三个资源池，即socket连接资源池socketpool，memcachedcache资源池cachepool，以及由客户端组成的集群资源池clusterpool，这些资源池的数据结构都是线程安全的ConcurrentHashMap,保证了并发效率,将配置信息分别实例化后，再分别放入对应的资源池容器中,socket连接放入socketpool中，memcached客户端放入cachepool中，定义的集群节点放入clusterpool中。
注意,在实例化socket连接池资源socketpool时,会调用每个pool的初始化方法pool.initialize(),来映射memcached实例到HASH环上,以及初始化socket连接.
单点问题
memcached的分布式，解决了容量水平扩容的问题，但是当某个节点失效时，还是会丢失一部分数据，单点故障依然存在，分布式只是解决了数据整体失效问题，而在实际项目中，特别是GAP平台适应的企业级项目中，是不允许数据不一致的，所以对每一份保存的数据都需要进行容灾处理，那么对于定义的每个memcached客户端，都至少增加一个新客户端与其组成一个cluster集群，当更新或者查找数据时，会先定位到该集群中某个节点，如果该节点失效，就去另外一个节点进行操作。在实际项目中，通过合理规划配置cluster和client(memcached客户端),可以最大限度的避免单点故障,当所有client都失效时还会丢失数据,在配置文件中,集群配置如下:
mclient1,mclient2
HASH一致性算法
在memcached支持分布式部署场景下,如何获取一个memcached实例？如何平均分配memcached实例的存储？这些需要一个算法来实现,我们选择的是HASH一致性算法,具体就体现在客户端如何获取一个连接memcached服务端的socket上,也就是如何定位memcached实例的问题？算法要求能够根据每次提供的同一个key获得同一个实例.
HASH闭环的初始化
本质上，hash一致性算法是需要实现一个逻辑环，如图所示，环上所有的节点即为一个memcached实例，如何实现？其实是根据每个memcached实例所在的ip地址，将所有的实例映射到hash数值空间中，构成一个闭合的圆环。
HASH环映射的初始化的代码位于SocketIOPool.populateConsistentBuckets方法中，主要代码如下:
private void populate ConsistentBuckets()
{
……...
for (int i = 0; i 获取socket连接
在实际获取memcahced实例所在服务器的soket时,只要使用基于同一个存储对象的key的MD5Hash算法,就可以获得相同的memcached实例所在的ip地址,也就是可以准确定位到hash环上相同的节点,代码位于SocketIOPool.getSock方法中,主要代码如下:
public SockIO getSock(String key, Integer hashCode){
………….
// from here on, we are working w/ multiple servers
// keep trying different servers until we find one
// making sure we only try each server one time
Set tryServers = new HashSet(Arrays.asList(servers));
// get initial bucket
// 通过key值计算hash值，使用的是基于MD5的算法
long bucket = getBucket(key, hashCode);
String server = (this.hashingAlg == CONSISTENT_HASH) ? consistentBuckets .get(bucket) : buckets.g et((int) bucket);
…………...
}
private long getBucket(String key, Integer hashCode)
{
/ / 通过key值计算hash值，使用的是基于MD5的算法
long hc = getHash(key, hashCode);
if (this.hashingAlg == CONSISTENT_HASH)
{
return findPointFor(hc);
} else
{
long bucket = hc % buckets.size();
if (bucket tmap = this.consistentBuckets.tailMap(hv);
// 如果tmap为空，就默认返回hash环上的第一个值，否则就返回最接近hv值的那个节点
return (tmap.isEmpty()) ? this.consistentBuckets.firstKey() : tmap .firstKey();
}
/**
* Returns a bucket to check for a given key.
*
* @param key
* String key cache is stored under
* @return int bucket
*/
private long getHash(String key, Integer hashCode)
{
if (hashCode != null)
{
if (hashingAlg == CONSISTENT_HASH)
return hashCode.longValue() & 0xffffffffL;
else
return hashCode.longValue();
} else
{
switch (hashingAlg)
{
case NATIVE_HASH:
return (long) key.hashCode();
case OLD_COMPAT_HASH:
return origCompatHashingAlg(key);
case NEW_COMPAT_HASH:
return newCompatHashingAlg(key);
case CONSISTENT_HASH:
return md5HashingAlg(key);
default:
// use the native hash as a default
hashingAlg = NATIVE_HASH;
return (long) key.hashCode();
}
}
}
/**
* Internal private hashing method.
*
* MD5 based hash algorithm for use in the consistent hashing approach.
*
* @param key
* @return
*/
private static long md5HashingAlg(String key)
{
/ /通过key值计算hash值，使用的是基于MD5的算法
MessageDigest md5 = MD5.get();
md5.reset();
md5.update(key.getBytes());
byte[] bKey = md5.digest();
long res = ((long) (bKey[3] & 0xFF) 通过以上代码的分析,整个memcahced服务端实例HASH环的初始化,以及数据更新和查找使用的算法都是基于同一种算法,这就保证了通过同一个key获得的memcahced实例为同一个.
socket连接池
这部分单独介绍，请猛烈地戳这里。
容灾、故障转移以及性能
衡量系统的稳定性，很大程度上是对各种异常情况的处理，充分考虑异常情况，以及合理处理异常是对系统设计人员的要求，下面看看在故障处理和容灾方面系统都做了那些工作。
定位memcached实例时,当第一次定位失败,会对所有其他的属于同一个socketpool中的memcahced实例进行定位,找到一个可用的,代码如下:
// log that we tried
// 先删除定位失败的实例
tryServers.remove(server);
if (tryServers.isEmpty())
break;
// if we failed to get a socket from this server
// then we try again by adding an incrementer to the
// current key and then rehashing
int rehashTries = 0;
while (!tryServers.contains(server))
{
// 重新计算key值
String newKey = new StringBuilder().append(rehashTries).append(key).toString();
// String.format( "%s%s", rehashTries, key );
if (log.isDebugEnabled())
log.debug("rehashing with: " + newKey);
// 去HASH环上定位实例节点
bucket = getBucket(newKey, null);
server=(this.hashingAlg == CONSISTENT_HASH) ? consistentBuckets.get(bucket) : buckets.get((int) bucket);
rehashTries++;
}
查找数据时,当前节点获取不到,会尝试到所在集群中其他的节点查找,成功后,会将数据复制到原先失效的节点中,代码如下:
public Object get(String key)
{
Object result = null;
boolean isError = false;
.......
if (result == null && helper.hasCluster())
if (isError || helper.getClusterMode().equals(MemcachedClientClusterConfig.CLUSTER_MODE_ACTIVE))
{
List caches = helper.getClusterCache();
for(MemCachedClient cache : caches)
{
if (getCacheClient(key).equals(cache))
continue;
try{ try
{
result = cache.get(key);
}
catch(MemcachedException ex)
{
Logger.error(new StringBuilder(helper.getCacheName())
.append(" cluster get error"),ex);
continue;
}
//仅仅判断另一台备份机器，不多次判断，防止效率低下
if (helper.getClusterMode().equals(MemcachedClientClusterConfig.CLUSTER_MODE_ACTIVE ) && result != null)
{
Object[] commands = new Object[]{CacheCommand.RECOVER,key,result};
// 加入队列，异步执行复制数据
addCommandToQueue(commands);
}
break;
}
catch(Exception e)
{
Logger.error(new StringBuilder(helper.getCacheName()) .append(" cluster get error"),e);
}
}
}
return result;
}
更新数据时,异步更新到集群内其他节点,示例代码如下:
public boolean add(String key, Object value)
{
boolean result = getCacheClient(key).add(key,value);
if (helper.hasCluster())
{
Object[] commands = new Object[]{CacheCommand.ADD,key,value};
// 加入队列，异步执行
addCommandToQueue(commands);
}
return result;
}
删除数据时,需要同步执行,如果异步的话,会产生脏数据,代码如下:
public Object remove(String key)
{
Object result = getCacheClient(key).delete(key);
//异步删除由于集群会导致无法被删除，因此需要一次性全部清除
if (helper.hasCluster())
{
List caches = helper.getClusterCache();
for(MemCachedClient cache : caches)
{
if (getCacheClient(key).equals(cache))
continue;
try
{
cache.delete(key);
}
catch(Exception ex)
{
Logger.error(new StringBuilder(helper.getCacheName())
.append(" cluster remove error"),ex);
}
}
}
return result;
}
异步执行集群内数据同步,因为不可能每次数据都要同步执行到集群内每个节点,这样会降低系统性能,所以在构造MemcachedCache对象时,会建立一个队列,线程安全的linked阻塞队列LinkedBlockingQueue,将所有需要异步执行的命令放入队列中,异步执行，具体异步执行由ClusterProcessor类负责,代码如下:
public MemcachedCache(MemCachedClientHelper helper,int statisticsInterval)
{
this.helper = helper;
dataQueue = new LinkedBlockingQueue
本地缓存的使用是为了降低连接服务端的IO开销,当有些数据变化频率很低时,完全可以放在应用服务器本地,同时可以设置有效时间,直接获取,DefaultCacheImpl类为本地缓存的实现类,在构造MemcachedCache对象时,即初始化.
每次查找数据时,会先查找本地缓存,如果没有再去查缓存,结束后将数据让如本地缓存中,代码如下:
public Object get(String key, int localTTL)
{
Object result = null;
// 本地缓存中查找
result = localCache.get(key);
if (result == null)
{
result = get(key);
if (result != null)
{
Calendar calendar = Calendar.getInstance();
calendar.add(Calendar.SECOND, localTTL);
// 放入本地缓存
localCache.put(key, result,calendar.getTime());
}
}
return result;
}
增加缓存数据时,会删除本地缓存中对应的数据,代码如下:
public Object put(String key, Object value, Date expiry)
{
boolean result = getCacheClient(key).set(key,value,expiry);
//移除本地缓存的内容
if (result) localCache.remove(key);
……..
return value;
}
改造部分
据以上分析，我们通过封装，做到了客户端的可配置化，memcached实例的水平扩展，通过集群解决了单点故障问题，并且保证了应用程序只要每次使用相同的数据对象的key值即可获取相同的memcached实例进行操作。但是，为了使缓存的使用对于应用程序来说完全透明，我们对cluster部分进行了再次封装，即把cluster看做一个node，根据cluster名称属性，进行HASH数值空间计算（同样基于MD5算法），映射到一个HASH环上.
这部分逻辑放在初始化资源池clusterpool时进行(即放在MemcahedCacheManager.initMemCacheClientPool方法中),与上文中所描述的memcached实例HASH环映射的逻辑一致,部分代码如下.
//populate cluster node to hash consistent Buckets
MessageDigest md5 = MD5.get();
// 使用cluster的名称计算HASH数值空间
byte[] d = md5.digest((node.getName()).getBytes());
for (int h = 0; h 在进行缓存操作时，仍然使用数据对象的key值获取到某个cluster节点，然后再使用取余算法（这种算法也是经常用到的分布式定位算法，但是有局限性，即随着节点数的增减，定位越来越不准确），拿到cluster中的某个节点，在进行缓存的操作；定位hash环上cluster节点的逻辑也与上文一样，这里不在赘述。部分定位cluster中节点的取余算法代码如下:
public IMemcachedCache getCacheClient(String key){
………….
String clusterNode = getClusterNode(key);
MemcachedClientCluster mcc = clusterpool.get(clusterNode);
List memcachedCachesClients = mcc.getCaches();
//根据取余算法获取集群中的某一个缓存节点
if (!memcachedCachesClients.isEmpty())
{
long keyhash = key.hashCode();
int index = (int)keyhash % memcachedCachesClients.size();
if (index 这样,对于应用来说,配置好资源池以后,无需关心那个集群或者客户端节点,直接通过MemcachedCacheManager获取到某个memcachedcache,然后进行缓存操作即可.
最后,使用GAP平台分布式缓存组件,需要提前做好容量规划,集群和客户端事先配置好,另外,缓存组件没有提供数据持久化功能.
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