分布式缓存

在计算机领域，缓存是一个非常重要的、用来提升性能的技术。

什么是分布式缓存？

缓存技术是指用一个更快的存储设备存储一些经常用到的数据，供用户快速访问。

分布式缓存是指在分布式环境或者系统下，把一些热门数据存储到离用户近、离应用近的位置，并尽量存储到更快的设备，以减少远程数据传输的延迟，让用户和应用可以很快访问到需要的数据。

分布式数据缓存属于计算机应用中的缓存的一种，计算机应用中的缓存，一般代指内存，即内存存储了用户经常访问的数据，用户或者应用不再需要到磁盘中去获取相应的数据，大幅提高访问速度。

分布式缓存原理

下面以常见的Redis和Memcached为例，描述分布式缓存的原理。

Redis分布式缓存

Redis的全称是Remote Dictionary Server，它以字典结构将数据存储到内存中，应用直接到内存中读写Redis存储的数据。

Redis集群是一个典型的去中心化结构，每个节点负责存储一部分数据，同时，每个节点会进行主备设计来提高Redis的可靠性。

Redis和缓存关系最紧密的三个特性：

• 支持多数据结构
• 支持持久化
• 主备同步

Redis支持多数据结构

Redis是一个基于内存的key-value数据库，它支持的数据结构不仅有简单的k/v类型，还可以支持List、Set、Hash等复杂类型的存储。

Redis支持持久化

Redis存储的数据是基于内存的，但它也提供了持久化机制，即将数据从内存写入到磁盘中。

Redis提供的持久化有两种方式：

• RBD（Redis Database），快照方式，Redis会定时将内存中的数据备份到磁盘中，形成一个快照，当节点出现故障时，可以根据快照恢复到不同版本的数据。它带来的问题是可能会造成数据丢失，当节点出现故障时，新数据可能还没有备份到磁盘。
• AOF（Append Only File），它的核心思想是通过使用类似于binary log的方式，来解决RBD快照存在的数据丢失问题。有三种不同的AOF策略可以选择：
  • AOF_FSYNC_NO（不同步）
  • AOF_FSYNC_EVERYSEC（每秒同步）
  • AOF_FSYNC_ALWAYS（每次写都同步）

Redis默认采用AOF_FSYNC_EVERYSEC策略，这样一旦出现故障，最多只会丢失一秒的数据。

Redis支持主备同步

Redis采用异步复制技术来实现主备同步，它可以通过min-replicas-to-write和min-replicas-max-lag参数来设置同步策略。

除了写数据时同步，以下两种情况也需要同步：

• 备数据库刚启动时需要进行数据同步。
• 因为网络故障导致主备数据库断开连接，等待网络恢复后，需要进行数据同步。

Redis提供了2种类型的同步机制：

• 完整重同步
• 部分重同步

完整重同步的流程如下：

1. 当备服务器启动时，会向主服务器发送SYNC命令。
2. 主服务器收到命令后会生成RDB文件，并记录从现在开始新执行的写操作。
3. RBD生成后会发送给备服务器，备服务器通过RDB文件进行数据更新。
4. 更新完成后，主服务器再将新记录的写操作发送给备服务器，备服务器执行完这些新记录的写操作，便和主服务器的数据保持一致了。

部分重同步是指当网络恢复后，主数据库将主备数据库断开连接后的一系列写操作发送给备服务器，备数据库执行这些写操作，从而保证主备数据保持一致。

主备数据库会共同维护一个复制偏移量，这样主数据库就知道应该将哪些写操作发给备数据库，备数据库同步时也知道应该从哪里继续执行操作。

Memcached分布式缓存原理

Memcached是一个基于内存的高性能key-value缓存数据库。

Memcached集群采用一致性哈希思路，使用Ketama算法，它的主要思想就是带虚拟节点的一致性哈希算法。在实际应用中，每个物理节点对应100-200个虚拟节点。

Memcached仅支持简单的k/v数据类型，如果想要存储复杂的数据类型，例如List、Set或者Hash，需要客户端自己处理，将其转化为字符串后进行存储，这样导致它操作不灵活。

Memcached不支持持久化，当服务器重启后，Memcached存储的数据会全部丢失。

Memcached中服务器和服务器之间没有任何通信，它自身不支持主备，但可以通过第三方来实现。

Redis和Memcached详细的比较如下。