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Memcache 内存分配策略和性能(使用)状态检查

发表于:2022-08-12 作者:安全数据网编辑
编辑最后更新 2022年08月12日,一直在使用Memcache,但是对其内部的问题,如它内存是怎么样被使用的,使用一段时间后想看看一些状态怎么样?一直都不清楚,查了又忘记,现在整理出该篇文章,方便自己查阅。本文不涉及安装、操作。有兴趣的

一直在使用Memcache,但是对其内部的问题,如它内存是怎么样被使用的,使用一段时间后想看看一些状态怎么样?一直都不清楚,查了又忘记,现在整理出该篇文章,方便自己查阅。本文不涉及安装、操作。有兴趣的同学可以查看之前写的文章和Google。

1:参数

memcached -h  memcached 1.4.14-p            TCP端口,默认为11211,可以不设置-U            UDP端口,默认为11211,0为关闭-s           UNIX socket-a           access mask for UNIX socket, in octal (default: 0700)-l           监听的 IP 地址,本机可以不设置此参数-d                 以守护程序(daemon)方式运行-u                 指定用户,如果当前为 root ,需要使用此参数指定用户-m            最大内存使用,单位MB。默认64MB-M                 禁止LRU策略,内存耗尽时返回错误,而不是删除项-c            最大同时连接数,默认是1024-v                 verbose (print errors/warnings while in event loop)-vv                very verbose (also print client commands/reponses)-vvv               extremely verbose (also print internal state transitions)-h                 帮助信息-i                 print memcached and libevent license-P           保存PID到指定文件-f         增长因子,默认1.25-n          初始chunk=key+suffix+value+32结构体,默认48字节-L                 启用大内存页,可以降低内存浪费,改进性能-t            线程数,默认4。由于memcached采用NIO,所以更多线程没有太多作用-R                 每个event连接最大并发数,默认20-C                 禁用CAS命令(可以禁止版本计数,减少开销)-b                 Set the backlog queue limit (default: 1024)-B                 Binding protocol-one of ascii, binary or auto (default)-I                 调整分配slab页的大小,默认1M,最小1k到128M

上面加粗的参数,需要重点关注,正常启动的例子:

启动:/usr/bin/memcached -m 64 -p 11212 -u nobody -c 2048 -f 1.1 -I 1024 -d -l 10.211.55.9连接:telnet 10.211.55.9 11212Trying 10.211.55.9...
Connected to 10.211.55.9.
Escape character is '^]'.

可以通过命令查看所有参数:stats settings

2:理解memcached的内存存储机制

Memcached默认情况下采用了名为Slab Allocator的机制分配、管理内存。在该机制出现以前,内存的分配是通过对所有记录简单地进行malloc和free来进行的。但是,这种方式会导致内存碎片,加重操作系统内存管理器的负担,最坏的情况下,会导致操作系统比memcached进程本身还慢。Slab Allocator就是为解决该问题而诞生的。

Slab Allocator的基本原理是按照预先规定的大小,将分配的内存以page为单位,默认情况下一个page是1M,可以通过-I参数在启动时指定,分割成各种尺寸的块(chunk), 并把尺寸相同的块分成组(chunk的集合),如果需要申请内存时,memcached会划分出一个新的page并分配给需要的slab区域。page一旦被分配在重启前不会被回收或者重新分配,以解决内存碎片问题。

Page

分配给Slab的内存空间,默认是1MB。分配给Slab之后根据slab的大小切分成chunk。

Chunk

用于缓存记录的内存空间。

Slab Class

特定大小的chunk的组。

Memcached并不是将所有大小的数据都放在一起的,而是预先将数据空间划分为一系列slabs,每个slab只负责一定范围内的数据存储。memcached根据收到的数据的大小,选择最适合数据大小的slab。memcached中保存着slab内空闲chunk的列表,根据该列表选择chunk,然后将数据缓存于其中。

如图所示,每个slab只存储大于其上一个slab的size并小于或者等于自己最大size的数据。例如:100字节大小的字符串会被存到slab2(88-112)中,每个slab负责的空间是不等的,memcached默认情况下下一个slab的最大值为前一个的1.25倍,这个可以通过修改-f参数来修改增长比例。

Slab Allocator解决了当初的内存碎片问题,但新的机制也给memcached带来了新的问题。chunk是memcached实际存放缓存数据的地方,这个大小就是管理它的slab的最大存放大小。每个slab中的chunk大小是一样的,如上图所示slab1的chunk大小是88字节,slab2是112字节。由于分配的是特定长度的内存,因此无法有效利用分配的内存。例如,将100字节的数据缓存到128字节的chunk中,剩余的28字节就浪费了。这里需要注意的是chunk中不仅仅存放缓存对象的value,而且保存了缓存对象的key,expire time, flag等详细信息。所以当set 1字节的item,需要远远大于1字节的空间存放。

memcached在启动时指定 Growth Factor因子(通过-f选项), 就可以在某种程度上控制slab之间的差异。默认值为1.25。

slab的内存分配具体过程如下:

Memcached在启动时通过-m参数指定最大使用内存,但是这个不会一启动就占用完,而是逐步分配给各slab的。如果一个新的数据要被存放,首先选择一个合适的slab,然后查看该slab是否还有空闲的chunk,如果有则直接存放进去;如果没有则要进行申请,slab申请内存时以page为单位,无论大小为多少,都会有1M大小的page被分配给该slab(该page不会被回收或者重新分配,永远都属于该slab)。申请到page后,slab会将这个page的内存按chunk的大小进行切分,这样就变成了一个chunk的数组,再从这个chunk数组中选择一个用于存储数据。若没有空闲的page的时候,则会对改slab进行LRU,而不是对整个memcache进行LRU。

以上大致讲解了memcache的内存分配策略,下面来说明如何查看memcache的使用状况。

3,memcache状态和性能查看

命中率 :stats命令

按照下面的图来解读分析

get_hits表示读取cache命中的次数,get_misses是读取失败的次数,即尝试读取不存在的缓存数据。即:

命中率=get_hits / (get_hits + get_misses)

命中率越高说明cache起到的缓存作用越大。但是在实际使用中,这个命中率不是有效数据的命中率,有些时候get操作可能只是检查一个key存在不存在,这个时候miss也是正确的,这个命中率是从memcached启动开始所有的请求的综合值,不能反映一个时间段内的情况,所以要排查memcached的性能问题,还需要更详细的数值。但是高的命中率还是能够反映出memcached良好的使用情况,突然下跌的命中率能够反映大量cache丢失的发生。

② 观察各slab的items的情况:Stats items命令

主要参数说明:

outofmemoryslab class为新item分配空间失败的次数。这意味着你运行时带上了-M或者移除操作失败
number存放的数据总数
age存放的数据中存放时间最久的数据已经存在的时间,以秒为单位
evicted不得不从LRU中移除未过期item的次数
evicted_time自最后一次清除过期item起所经历的秒数,即最后被移除缓存的时间,0表示当前就有被移除,用这个来判断数据被移除的最近时间
evicted_nonzero没有设置过期时间(默认30天),但不得不从LRU中称除该未过期的item的次数

因为memcached的内存分配策略导致一旦memcached的总内存达到了设置的最大内存表示所有的slab能够使用的page都已经固定,这时如果还有数据放入,将导致memcached使用LRU策略剔除数据。而LRU策略不是针对所有的slabs,而是只针对新数据应该被放入的slab,例如有一个新的数据要被放入slab 3,则LRU只对slab 3进行,通过stats items就可以观察到这些剔除的情况。

注意evicted_time:并不是发生了LRU就代表memcached负载过载了,因为有些时候在使用cache时会设置过期时间为0,这样缓存将被存放30天,如果内存满了还持续放入数据,而这些为过期的数据很久没有被使用,则可能被剔除。把evicted_time换算成标准时间看下是否已经达到了你可以接受的时间,例如:你认为数据被缓存了2天是你可以接受的,而最后被剔除的数据已经存放了3天以上,则可以认为这个slab的压力其实可以接受的;但是如果最后被剔除的数据只被缓存了20秒,不用考虑,这个slab已经负载过重了。

通过上面的说明可以看到当前的memcache的slab1的状态:

items有305816个,有效时间最久的是21529秒,通过LRU移除未过期的items有95336839个,通过LRU移除没有设置过期时间的未过期items有95312220个,当前就有被清除的items,启动时没有带-M参数。

③ 观察各slabs的情况:stats slabs命令

从Stats items中如果发现有异常的slab,则可以通过stats slabs查看下该slab是不是内存分配的确有问题。

主要参数说明:

属性名称属性说明
chunk_size当前slab每个chunk的大小
chunk_per_page每个page能够存放的chunk数
total_pages分配给当前slab的page总数,默认1个page大小1M,可以计算出该slab的大小
total_chunks当前slab最多能够存放的chunk数,应该等于chunck_per_page * total_page
used_chunks已经被占用的chunks总数
free_chunks过期数据空出的chunk但还没有被使用的chunk数
free_chunks_end新分配的但是还没有被使用的chunk数




这里需要注意total_pages 这个是当前slab总共分配大的page总数,如果没有修改page的默认大小的情况下,这个数值就是当前slab能够缓存的数据的总大小(单位为M)。如果这个slab的剔除非常严重,一定要注意这个slab的page数是不是太少了。还有一个公式:

total_chunks = used_chunks + free_chunks + free_chunks_end

另外stats slabs还有2个属性:

属性名称属性说明

active_slabs

活动的slab总数

total_malloced

实际已经分配的总内存数,单位为byte,这个数值决定了memcached实际还能申请多少内存,如果这个值已经达到设定的上限(和stats settings中的maxbytes对比),则不会有新的page被分配。

④ 对象数量的统计:stats sizes

注意:该命令会锁定服务,暂停处理请求。该命令展示了固定chunk大小中的items的数量。也可以看出slab1(96byte)中有多少个chunks。

⑤ 查看、导出key:stats cachedump

在进入memcache中,大家都想查看cache里的key,类似redis中的keys *命令,在memcache里也可以查看,但是需要2步完成。

一是先列出items:

stats items  --命令...
...
STAT items:29:number 228STAT items:29:age 34935...
END

二是通过itemid取key,上面的id是29,再加上一个参数:为列出的长度,0为全部列出。

stats cachedump 29 0   --命令ITEM 26457202 [49440 b; 1467262309 s]
...
ITEM 30017977 [45992 b; 1467425702 s]
ITEM 26634739 [48405 b; 1467437677 s]
END --总共228个keyget 26634739 取value

如何导出key呢?这里就需要通过 echo ... nc 来完成了

echo  "stats cachedump 29 0" | nc 10.211.55.9 11212 >/home/zhoujy/memcache.log

在导出的时候需要注意的是:cachedump命令每次返回的数据大小只有2M,这个是memcached的代码中写死的一个数值,除非在编译前修改。

⑥ 另一个监控工具:memcached-tool,一个perl写的工具:memcache_tool.pl

View Code

./memcached-tool 10.211.55.9:11212    --执行
# Item_Size Max_age Pages Count Full? Evicted Evict_Time OOM
1 96B 20157s 28 305816 yes 95431913 0 0
2 120B 16049s 40 349520 yes 117041737 0 0
3 152B 17574s 39 269022 yes 92679465 0 0
4 192B 18157s 43 234823 yes 78892650 0 0
5 240B 18722s 52 227188 yes 72908841 0 0
6 304B 17971s 73 251777 yes 85556469 0 0
7 384B 17881s 81 221130 yes 75596858 0 0
8 480B 17760s 70 152880 yes 53553607 0 0
9 600B 18167s 58 101326 yes 34647962 0 0
10 752B 18518s 52 72488 yes 24813707 0 0
11 944B 18903s 52 57720 yes 16707430 0 0
12 1.2K 20475s 44 38940 yes 11592923 0 0
13 1.4K 21220s 36 25488 yes 8232326 0 0
14 1.8K 22710s 35 19740 yes 6232766 0 0
15 2.3K 22027s 33 14883 yes 4952017 0 0
16 2.8K 23139s 33 11913 yes 3822663 0 0
17 3.5K 23495s 31 8928 yes 2817520 0 0
18 4.4K 22611s 29 6670 yes 2168871 0 0
19 5.5K 23652s 29 5336 yes 1636656 0 0
20 6.9K 21245s 26 3822 yes 1334189 0 0
21 8.7K 22794s 22 2596 yes 783620 0 0
22 10.8K 22443s 19 1786 yes 514953 0 0
23 13.6K 21385s 18 1350 yes 368016 0 0
24 16.9K 23782s 16 960 yes 254782 0 0
25 21.2K 23897s 14 672 yes 183793 0 0
26 26.5K 27847s 13 494 yes 117535 0 0
27 33.1K 27497s 14 420 yes 83966 0 0
28 41.4K 28246s 14 336 yes 63703 0 0
29 51.7K 33636s 12 228 yes 24239 0 0

解释:

含义
#slab class编号
Item_Size   chunk大小
Max_ageLRU内最旧的记录的生存时间
pages分配给Slab的页数
countSlab内的记录数、chunks数、items数、keys数
Full?Slab内是否含有空闲chunk
Evicted从LRU中移除未过期item的次数
Evict_Time最后被移除缓存的时间,0表示当前就有被移除
OOM-M参数?




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