阿里改造后的memcached客户端源码详解

最近项目需要用应用缓存解决方案,选择了目前比较流行的memcached作为分布式缓存,客户端我们选择了阿里改造后的memchaced-client-forjava,因为该客户端经过阿里内部大量实际项目的线上运行,表现给力.

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:

<client name="mclient0" compressEnable="true" defaultEncoding="UTF-8" socketpool="pool0”>
    <errorHandler>com.alisoft.xplatform.asf.cache.memcached.MemcachedErrorHandler</errorHandler> 
</client>

扩容

socketpool连接池配置的才是真正连接的memcached服务实例，当然，你可以连接多个memcached服务实例，多个实例可以分布在一台或者多台物理机器上。这样，随着实际业务数据量的增加，可以对现有缓存容量进行扩容，只需在servers中增加memcached实例即可，或者增加多个socketpool配置项，配置如下:

<socketpool name="pool0" failover="true" initConn="5" minConn="5" maxConn="250" maintSleep="5000" nagle="false" socketTO="3000" aliveCheck="true"> 
    <servers>192.168.1.66:11211,192.168.1.68:11211</servers> 
</socketpool>

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:

<cluster name="cluster1" mode="active"> 
    <memCachedClients>mclient1,mclient2</memCachedClients> 
</cluster>

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 < servers.length; i++) 
  { 
	   int thisWeight = 1; 
	   if (this.weights != null && this.weights[i] != null) 
			thisWeight = this.weights[i]; 
			double factor = Math .floor(((double) (40 * this.servers.length * thisWeight)) / (double                                      ) this.totalWeight); 
	   for (long j = 0; j < factor; j++) 
	   { 
			byte[] d = md5.digest((servers[i] + "-" + j).getBytes()); 
			for (int h = 0; h < 4; h++) 
			{ 
				// k 的值使用MD5hash算法计算获得 
				Long k = ((long) (d[3 + h * 4] & 0xFF) << 24) 
						   | ((long) (d[2 + h * 4] & 0xFF) << 16) 
						   | ((long) (d[1 + h * 4] & 0xFF) << 8) 
						   | ((long) (d[0 + h * 4] & 0xFF)); 
				// 用treemap来存储memcached实例所在的ip地址， 
				// 也就是将每个缓存实例所在的ip地址映射到由k组成的hash环上 
				consistentBuckets.put(k, servers[i]); 
				 if (log.isDebugEnabled()) 
					  log.debug("++++ added " + servers[i] 
								+ " to server bucket"); 
			} 
	   } 
   ……... 
  } 
}

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<String> tryServers = new HashSet<String>(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 < 0) 
			bucket *= -1; 
	   return bucket; 
  } 
} 
/** 
* Gets the first available key equal or above the given one, if none found, 
* returns the first k in the bucket 
* 
* @param k 
*            key 
* @return 
*/ 
private Long findPointFor(Long hv) 
{ 
  // this works in java 6, but still want to release support for java5 
  // Long k = this.consistentBuckets.ceilingKey( hv ); 
  // return ( k == null ) ? this.consistentBuckets.firstKey() : k; 
  // 该consistentBuckets中存储的是HASH结构初始化时，存入的所有memcahced实例节点，也就是整个hash环 
  // tailMap方法是取出大于等于hv的所有节点，并且是递增有序的 
  SortedMap<Long, String> 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) << 24) 
			| ((long) (bKey[2] & 0xFF) << 16) 
			| ((long) (bKey[1] & 0xFF) << 8) | (long) (bKey[0] & 0xFF); 
  return res; 
}

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<MemCachedClient> 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<MemCachedClient> 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<Object[]>(); 
 ……… 
  processor = new ClusterProcessor(dataQueue,helper); 
  processor.setDaemon(true); 
  processor.start(); 
}

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 < 4; h++) 
{ 
   Long k = ((long) (d[3 + h * 4] & 0xFF) << 24) 
                       | ((long) (d[2 + h * 4] & 0xFF) << 16) 
                       | ((long) (d[1 + h * 4] & 0xFF) << 8) 
                       | ((long) (d[0 + h * 4] & 0xFF)); 
  consistentClusterBuckets.put(k, node.getName()); 
  if (log.isDebugEnabled()) 
       log.debug("++++ added " + node.getName() + " to cluster bucket"); 
}

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<IMemcachedCache> 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 < 0 ) 
			index *= -1; 
		return memcachedCachesClients.get(index); 
	} 
	return null; 
}

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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