Slab Allocation機制：整理內存以便重復使用
最近的memcached默認情況下采用了名為Slab Allocator的機制分配、管理內存。在該機制出現以前，內存的分配是通過對所有記錄簡單地進行malloc和free來進行的。但是，這種方式會導 致內存碎片，加重操作系統內存管理器的負擔，最壞的情況下，會導致操作系統比memcached進程本身還慢。Slab Allocator就是為解決該問題而誕生的。
下面來看看Slab Allocator的原理。下面是memcached文檔中的slab allocator的目標：
the primary goal of the slabs subsystem in memcached was to eliminate memory fragmentation issues totally by using fixed-size memory chunks coming from a few predetermined size classes.
也就是說，Slab Allocator的基本原理是按照預先規定的大小，將分配的內存分割成特定長度的塊，以完全解決內存碎片問題。
Slab Allocation的原理相當簡單。 將分配的內存分割成各種尺寸的塊（chunk），並把尺寸相同的塊分成組（chunk的集合）（圖1）。
圖1 Slab Allocation的構造圖
而且，slab allocator還有重復使用已分配的內存的目的。也就是說，分配到的內存不會釋放，而是重復利用。
Slab Allocation的主要術語
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分配給Slab的內存空間，默認是1MB。分配給Slab之後根據slab的大小切分成chunk。
Chunk
用於緩存記錄的內存空間。
Slab Class
特定大小的chunk的組。
在Slab中緩存記錄的原理
下面說明memcached如何針對客戶端發送的數據選擇slab並緩存到chunk中。
memcached根據收到的數據的大小，選擇最適合數據大小的slab（圖2）。 memcached中保存著slab內空閒chunk的列表，根據該列表選擇chunk，然後將數據緩存於其中。
圖2 選擇存儲記錄的組的方法
實際上，Slab Allocator也是有利也有弊。下面介紹一下它的缺點。
Slab Allocator的缺點
Slab Allocator解決了當初的內存碎片問題，但新的機制也給memcached帶來了新的問題。
這個問題就是，由於分配的是特定長度的內存，因此無法有效利用分配的內存。例如，將100字節的數據緩存到128字節的chunk中，剩余的28字節就浪費了（圖3）。
圖3 chunk空間的使用
對於該問題目前還沒有完美的解決方案，但在文檔中記載了比較有效的解決方案。
The most efficient way to reduce the waste is to use a list of size classes that closely matches (if that's at all possible) common sizes of objects that the clients of this particular installation of memcached are likely to store.
就是說，如果預先知道客戶端發送的數據的公用大小，或者僅緩存大小相同的數據的情況下，只要使用適合數據大小的組的列表，就可以減少浪費。
但是很遺憾，現在還不能進行任何調優，只能期待以後的版本了。但是，我們可以調節slab class的大小的差別。接下來說明growth factor選項。
使用Growth Factor進行調優
memcached在啟動時指定 Growth Factor因子（通過-f選項），就可以在某種程度上控制slab之間的差異。默認值為1.25。但是，在該選項出現之前，這個因子曾經固定為2，稱為“powers of 2”策略。
讓我們用以前的設置，以verbose模式啟動memcached試試看：
$ memcached -f 2 -vv
下面是啟動後的verbose輸出：
slab class 1: chunk size 128 perslab 8192
slab class 2: chunk size 256 perslab 4096
slab class 3: chunk size 512 perslab 2048
slab class 4: chunk size 1024 perslab 1024
slab class 5: chunk size 2048 perslab 512
slab class 6: chunk size 4096 perslab 256
slab class 7: chunk size 8192 perslab 128
slab class 8: chunk size 16384 perslab 64
slab class 9: chunk size 32768 perslab 32
slab class 10: chunk size 65536 perslab 16
slab class 11: chunk size 131072 perslab 8
slab class 12: chunk size 262144 perslab 4
slab class 13: chunk size 524288 perslab 2
可見，從128字節的組開始，組的大小依次增大為原來的2倍。這樣設置的問題是，slab之間的差別比較大，有些情況下就相當浪費內存。因此，為盡量減少內存浪費，兩年前追加了growth factor這個選項。
來看看現在的默認設置（f=1.25）時的輸出（篇幅所限，這裡只寫到第10組）：
slab class 1: chunk size 88 perslab 11915
slab class 2: chunk size 112 perslab 9362
slab class 3: chunk size 144 perslab 7281
slab class 4: chunk size 184 perslab 5698
slab class 5: chunk size 232 perslab 4519
slab class 6: chunk size 296 perslab 3542
slab class 7: chunk size 376 perslab 2788
slab class 8: chunk size 472 perslab 2221
slab class 9: chunk size 592 perslab 1771
slab class 10: chunk size 744 perslab 1409
可見，組間差距比因子為2時小得多，更適合緩存幾百字節的記錄。從上面的輸出結果來看，可能會覺得有些計算誤差，這些誤差是為了保持字節數的對齊而故意設置的。
將memcached引入產品，或是直接使用默認值進行部署時，最好是重新計算一下數據的預期平均長度，調整growth factor，以獲得最恰當的設置。內存是珍貴的資源，浪費就太可惜了。
接下來介紹一下如何使用memcached的stats命令查看slabs的利用率等各種各樣的信息。
查看memcached的內部狀態
memcached有個名為stats的命令，使用它可以獲得各種各樣的信息。執行命令的方法很多，用telnet最為簡單：
$ telnet 主機名 端口號
連接到memcached之後，輸入stats再按回車，即可獲得包括資源利用率在內的各種信息。此外，輸入"stats slabs"或"stats items"還可以獲得關於緩存記錄的信息。結束程序請輸入quit。
這些命令的詳細信息可以參考memcached軟件包內的protocol.txt文檔。
$ telnet localhost 11211
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
stats
STAT pid 481
STAT uptime 16574
STAT time 1213687612
STAT version 1.2.5
STAT pointer_size 32
STAT rusage_user 0.102297
STAT rusage_system 0.214317
STAT curr_items 0
STAT total_items 0
STAT bytes 0
STAT curr_connections 6
STAT total_connections 8
STAT connection_structures 7
STAT cmd_get 0
STAT cmd_set 0
STAT get_hits 0
STAT get_misses 0
STAT evictions 0
STAT bytes_read 20
STAT bytes_written 465
STAT limit_maxbytes 67108864
STAT threads 4
END
quit
另外，如果安裝了libmemcached這個面向C/C++語言的客戶端庫，就會安裝 memstat 這個命令。使用方法很簡單，可以用更少的步驟獲得與telnet相同的信息，還能一次性從多台服務器獲得信息。
$ memstat --servers=server1,server2,server3,...
libmemcached可以從下面的地址獲得：
http://tangent.org/552/libmemcached.html
查看slabs的使用狀況
使用memcached的創造著Brad寫的名為memcached-tool的Perl腳本，可以方便地獲得slab的使用情況（它將memcached的返回值整理成容易閱讀的格式）。可以從下面的地址獲得腳本：
http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/scripts/memcached-tool
使用方法也極其簡單：
$ memcached-tool 主機名:端口 選項
查看slabs使用狀況時無需指定選項，因此用下面的命令即可：
$ memcached-tool 主機名:端口
獲得的信息如下所示：
# Item_Size Max_age 1MB_pages Count Full?
1 104 B 1394292 s 1215 12249628 yes
2 136 B 1456795 s 52 400919 yes
3 176 B 1339587 s 33 196567 yes
4 224 B 1360926 s 109 510221 yes
5 280 B 1570071 s 49 183452 yes
6 352 B 1592051 s 77 229197 yes
7 440 B 1517732 s 66 157183 yes
8 552 B 1460821 s 62 117697 yes
9 696 B 1521917 s 143 215308 yes
10 872 B 1695035 s 205 246162 yes
11 1.1 kB 1681650 s 233 221968 yes
12 1.3 kB 1603363 s 241 183621 yes
13 1.7 kB 1634218 s 94 57197 yes
14 2.1 kB 1695038 s 75 36488 yes
15 2.6 kB 1747075 s 65 25203 yes
16 3.3 kB 1760661 s 78 24167 yes
各列的含義為：
列 含義
# slab class編號
Item_Size Chunk大小
Max_age LRU內最舊的記錄的生存時間
1MB_pages 分配給Slab的頁數
Count Slab內的記錄數
Full? Slab內是否含有空閒chunk
從這個腳本獲得的信息對於調優非常方便，強烈推薦使用。
內存存儲的總結
本次簡單說明了memcached的緩存機制和調優方法。希望讀者能理解memcached的內存管理原理及其優缺點。
下次將繼續說明LRU和Expire等原理，以及memcached的最新發展方向—— 可擴充體系（pluggable architecher））。
