1. Memcached簡介

Memcached是以LiveJurnal旗下Danga Interactive公司的Bard Fitzpatric為首開發的高效能分散式記憶體快取伺服器。其本質上就是一個記憶體key-value資料庫，但是不支援資料的持久化，伺服器關閉之後資料全部丟失。Memcached使用C語言開發，在大多數像Linux、BSD和Solaris等POSIX系統上，只要安裝了libevent即可使用。在Windows下，它也有一個可用的非官方版本(http://code.jellycan.com/memcached/)。Memcached 的客戶端軟體實現非常多，包括C/C++, PHP, Java, Python, Ruby, Perl, Erlang, Lua等。當前Memcached使用廣泛，除了LiveJournal以外還有Wikipedia、Flickr、Twitter、Youtube和 WordPress等。

在Window系統下，Memcached的安裝非常方便，只需從以上給出的地址下載可執行軟體然後執行memcached.exe –d install即可完成安裝。在Linux等系統下，我們首先需要安裝libevent，然後從獲取原始碼，make && make install即可。預設情況下，Memcached的伺服器啟動程式會安裝到/usr/local/bin目錄下。在啟動Memcached時，我們可以為其配置不同的啟動引數。

1.1 Memcache配置

Memcached伺服器在啟動時需要對關鍵的引數進行配置，下面我們就看一看Memcached在啟動時需要設定哪些關鍵引數以及這些引數的作用。

1）-p [HTML_REMOVED] Memcached的TCP監聽埠，預設配置為11211；

2）-U [HTML_REMOVED] Memcached的UDP監聽埠，預設配置為11211，為0時表示關閉UDP監聽；

3）-s [HTML_REMOVED] Memcached監聽的UNIX套接字路徑；

4）-a [HTML_REMOVED] 訪問UNIX套接字的八進位制掩碼，預設配置為0700；

5）-l [HTML_REMOVED] 監聽的伺服器IP地址，預設為所有網路卡；

6）-d 為Memcached伺服器啟動守護程式；

7）-r 最大core檔案大小；

8）-u [HTML_REMOVED] 執行Memcached的使用者，如果當前為root的話需要使用此引數指定使用者；

9）-m [HTML_REMOVED] 分配給Memcached使用的記憶體數量，單位是MB；

10）-M 指示Memcached在記憶體用光的時候返回錯誤而不是使用LRU演算法移除資料記錄；

11）-c [HTML_REMOVED] 最大併發連數，預設配置為1024；

12）-v –vv –vvv 設定伺服器端列印的訊息的詳細程度，其中-v僅列印錯誤和警告資訊，-vv在-v的基礎上還會列印客戶端的命令和相應，-vvv在-vv的基礎上還會列印記憶體狀態轉換資訊；

13）-f [HTML_REMOVED] 用於設定chunk大小的遞增因子；

14）-n [HTML_REMOVED] 最小的chunk大小，預設配置為48個位元組；

15）-t [HTML_REMOVED] Memcached伺服器使用的執行緒數，預設配置為4個；

16）-L 嘗試使用大記憶體頁；

17）-R 每個事件的最大請求數，預設配置為20個；

18）-C 禁用CAS，CAS模式會帶來8個位元組的冗餘；

2. Redis簡介

Redis是一個開源的key-value儲存系統。與Memcached類似，Redis將大部分資料儲存在記憶體中，支援的資料型別包括：字串、雜湊表、連結串列、集合、有序集合以及基於這些資料型別的相關操作。Redis使用C語言開發，在大多數像Linux、BSD和Solaris等POSIX系統上無需任何外部依賴就可以使用。Redis支援的客戶端語言也非常豐富，常用的計算機語言如C、C#、C++、Object-C、PHP、Python、 Java、Perl、Lua、Erlang等均有可用的客戶端來訪問Redis伺服器。當前Redis的應用已經非常廣泛，國內像新浪、淘寶，國外像 Flickr、Github等均在使用Redis的快取服務。 Redis的安裝非常方便，只需從http://redis.io/download獲取原始碼，然後make && make install即可。預設情況下，Redis的伺服器啟動程式和客戶端程式會安裝到/usr/local/bin目錄下。在啟動Redis伺服器時，我們需要為其指定一個配置檔案，預設情況下配置檔案在Redis的原始碼目錄下，檔名為redis.conf。

2.1 Redis配置檔案

為了對Redis的系統實現有一個直接的認識，我們首先來看一下Redis的配置檔案中定義了哪些主要引數以及這些引數的作用。

1）daemonize no 預設情況下，redis不是在後臺執行的。如果需要在後臺執行，把該項的值更改為yes；

2）pidfile /var/run/redis.pid當Redis在後臺執行的時候，Redis預設會把pid檔案放在/var/run/redis.pid，你可以配置到其他地址。當執行多個redis服務時，需要指定不同的pid檔案和埠；

3）port 6379指定redis執行的埠，預設是6379；

4）bind 127.0.0.1 指定redis只接收來自於該IP地址的請求，如果不進行設定，那麼將處理所有請求。在生產環境中最好設定該項；

5）loglevel debug 指定日誌記錄級別，其中Redis總共支援四個級別：debug、verbose、notice、warning，預設為verbose。debug表示記錄很多資訊，用於開發和測試。verbose表示記錄有用的資訊，但不像debug會記錄那麼多。notice表示普通的verbose，常用於生產環境。warning 表示只有非常重要或者嚴重的資訊會記錄到日誌；

6）logfile /var/log/redis/redis.log 配置log檔案地址，預設值為stdout。若後臺模式會輸出到/dev/null；

7）databases 16 可用資料庫數，預設值為16，預設資料庫為0，資料庫範圍在0-（database-1）之間；

8）save 900 1儲存資料到磁碟，格式為save [HTML_REMOVED] [HTML_REMOVED]，指出在多長時間內，有多少次更新操作，就將資料同步到資料檔案rdb。相當於條件觸發抓取快照，這個可以多個條件配合。save 900 1就表示900秒內至少有1個key被改變就儲存資料到磁碟；

9）rdbcompression yes 儲存至本地資料庫時（持久化到rdb檔案）是否壓縮資料，預設為yes；

10）dbfilename dump.rdb本地持久化資料庫檔名，預設值為dump.rdb；

11）dir ./ 工作目錄，資料庫映象備份的檔案放置的路徑。這裡的路徑跟檔名要分開配置是因為redis在進行備份時，先會將當前資料庫的狀態寫入到一個臨時檔案中，等備份完成時，再把該臨時檔案替換為上面所指定的檔案。而這裡的臨時檔案和上面所配置的備份檔案都會放在這個指定的路徑當中，AOF檔案也會存放在這個目錄下面。注意這裡必須指定一個目錄而不是檔案；

12）slaveof [HTML_REMOVED] [HTML_REMOVED] 主從複製，設定該資料庫為其他資料庫的從資料庫。設定當本機為slave服務時，設定master服務的IP地址及埠。在Redis啟動時，它會自動從master進行資料同步；

13）masterauth [HTML_REMOVED] 當master服務設定了密碼保護時(用requirepass制定的密碼)slave服務連線master的密碼；

14）slave-serve-stale-data yes 當從庫同主機失去連線或者複製正在進行，從機庫有兩種執行方式：如果slave-serve-stale-data設定為yes(預設設定)，從庫會繼續相應客戶端的請求。如果slave-serve-stale-data是指為no，除去INFO和SLAVOF命令之外的任何請求都會返回一個錯誤"SYNC with master in progress"；

15）repl-ping-slave-period 10從庫會按照一個時間間隔向主庫傳送PING，可以通過repl-ping-slave-period設定這個時間間隔，預設是10秒；

16）repl-timeout 60 設定主庫批量資料傳輸時間或者ping回覆時間間隔，預設值是60秒，一定要確保repl-timeout大於repl-ping-slave-period；

17）requirepass foobared 設定客戶端連線後進行任何其他指定前需要使用的密碼。因為redis速度相當快，所以在一臺比較好的伺服器下，一個外部的使用者可以在一秒鐘進行150K次的密碼嘗試，這意味著你需要指定非常強大的密碼來防止暴力破解；

18）rename-command CONFIG "" 命令重新命名，在一個共享環境下可以重新命名相對危險的命令，比如把CONFIG重名為一個不容易猜測的字元：# rename-command CONFIG b840fc02d524045429941cc15f59e41cb7be6c52。如果想刪除一個命令，直接把它重新命名為一個空字元""即可：rename-command CONFIG ""；

19）maxclients 128設定同一時間最大客戶端連線數，預設無限制。Redis可以同時開啟的客戶端連線數為Redis程式可以開啟的最大檔案描述符數。如果設定 maxclients 0，表示不作限制。當客戶端連線數到達限制時，Redis會關閉新的連線並向客戶端返回max number of clients reached錯誤資訊；

20）maxmemory [HTML_REMOVED] 指定Redis最大記憶體限制。Redis在啟動時會把資料載入到記憶體中，達到最大記憶體後，Redis會先嚐試清除已到期或即將到期的Key，Redis同時也會移除空的list物件。當此方法處理後，仍然到達最大記憶體設定，將無法再進行寫入操作，但仍然可以進行讀取操作。注意：Redis新的vm機制，會把Key存放記憶體，Value會存放在swap區；

21）maxmemory-policy volatile-lru 當記憶體達到最大值的時候Redis會選擇刪除哪些資料呢？有五種方式可供選擇：volatile-lru代表利用LRU演算法移除設定過過期時間的key (LRU:最近使用 Least Recently Used )，allkeys-lru代表利用LRU演算法移除任何key，volatile-random代表移除設定過過期時間的隨機key，allkeys_random代表移除一個隨機的key，volatile-ttl代表移除即將過期的key(minor TTL)，noeviction代表不移除任何key，只是返回一個寫錯誤。

注意：對於上面的策略，如果沒有合適的key可以移除，寫的時候Redis會返回一個錯誤；

22）appendonly no 預設情況下，redis會在後臺非同步的把資料庫映象備份到磁碟，但是該備份是非常耗時的，而且備份也不能很頻繁。如果發生諸如拉閘限電、拔插頭等狀況，那麼將造成比較大範圍的資料丟失，所以redis提供了另外一種更加高效的資料庫備份及災難恢復方式。開啟append only模式之後，redis會把所接收到的每一次寫操作請求都追加到appendonly.aof檔案中。當redis重新啟動時，會從該檔案恢復出之前的狀態，但是這樣會造成appendonly.aof檔案過大，所以redis還支援了BGREWRITEAOF指令對appendonly.aof 進行重新整理，你可以同時開啟asynchronous dumps 和 AOF；

23）appendfilename appendonly.aof AOF檔名稱,預設為"appendonly.aof";

24）appendfsync everysec Redis支援三種同步AOF檔案的策略: no代表不進行同步，系統去操作，always代表每次有寫操作都進行同步，everysec代表對寫操作進行累積，每秒同步一次，預設是"everysec"，按照速度和安全折中這是最好的。

25）slowlog-log-slower-than 10000 記錄超過特定執行時間的命令。執行時間不包括I/O計算，比如連線客戶端，返回結果等，只是命令執行時間。可以通過兩個引數設定slow log：一個是告訴Redis執行超過多少時間被記錄的引數slowlog-log-slower-than(微妙)，另一個是slow log 的長度。當一個新命令被記錄的時候最早的命令將被從佇列中移除，下面的時間以微妙微單位，因此1000000代表一分鐘。注意制定一個負數將關閉慢日誌，而設定為0將強制每個命令都會記錄；

26）hash-max-zipmap-entries 512 && hash-max-zipmap-value 64 當hash中包含超過指定元素個數並且最大的元素沒有超過臨界時，hash將以一種特殊的編碼方式（大大減少記憶體使用）來儲存，這裡可以設定這兩個臨界值。Redis Hash對應Value內部實際就是一個HashMap，實際這裡會有2種不同實現。這個Hash的成員比較少時Redis為了節省記憶體會採用類似一維陣列的方式來緊湊儲存，而不會採用真正的HashMap結構，對應的value redisObject的encoding為zipmap。當成員數量增大時會自動轉成真正的HashMap，此時encoding為ht；

27）list-max-ziplist-entries 512 list資料型別多少節點以下會採用去指標的緊湊儲存格式；

28）list-max-ziplist-value 64資料型別節點值大小小於多少位元組會採用緊湊儲存格式；

29）set-max-intset-entries 512 set資料型別內部資料如果全部是數值型，且包含多少節點以下會採用緊湊格式儲存；

30）zset-max-ziplist-entries 128 zsort資料型別多少節點以下會採用去指標的緊湊儲存格式；

31）zset-max-ziplist-value 64 zsort資料型別節點值大小小於多少位元組會採用緊湊儲存格式。

32）activerehashing yes Redis將在每100毫秒時使用1毫秒的CPU時間來對redis的hash表進行重新hash，可以降低記憶體的使用。當你的使用場景中，有非常嚴格的實時性需要，不能夠接受Redis時不時的對請求有2毫秒的延遲的話，把這項配置為no。如果沒有這麼嚴格的實時性要求，可以設定為yes，以便能夠儘可能快的釋放記憶體；

2.2 Redis的常用資料型別

與Memcached僅支援簡單的key-value結構的資料記錄不同，Redis支援的資料型別要豐富得多。最為常用的資料型別主要由五種：String、Hash、List、Set和Sorted Set。在具體描述這幾種資料型別之前，我們先通過一張圖來了解下Redis內部記憶體管理中是如何描述這些不同資料型別的。

圖1 Redis物件

Redis內部使用一個redisObject物件來表示所有的key和value。redisObject最主要的資訊如圖1所示：type代表一個 value物件具體是何種資料型別，encoding是不同資料型別在redis內部的儲存方式，比如：type=string代表value儲存的是一個普通字串，那麼對應的encoding可以是raw或者是int，如果是int則代表實際redis內部是按數值型類儲存和表示這個字串的，當然前提是這個字串本身可以用數值表示，比如:"123" "456"這樣的字串。這裡需要特殊說明一下vm欄位，只有開啟了Redis的虛擬記憶體功能，此欄位才會真正的分配記憶體，該功能預設是關閉狀態的。通過 Figure1我們可以發現Redis使用redisObject來表示所有的key/value資料是比較浪費記憶體的，當然這些記憶體管理成本的付出主要也是為了給Redis不同資料型別提供一個統一的管理介面，實際作者也提供了多種方法幫助我們儘量節省記憶體使用。下面我們先來逐一的分析下這五種資料型別的使用和內部實現方式。

1）String

常用命令：set/get/decr/incr/mget等；

應用場景：String是最常用的一種資料型別，普通的key/value儲存都可以歸為此類；

實現方式：String在redis內部儲存預設就是一個字串，被redisObject所引用，當遇到incr、decr等操作時會轉成數值型進行計算，此時redisObject的encoding欄位為int。

2）Hash

常用命令：hget/hset/hgetall等

應用場景：我們要儲存一個使用者資訊物件資料，其中包括使用者ID、使用者姓名、年齡和生日，通過使用者ID我們希望獲取該使用者的姓名或者年齡或者生日；

實現方式：Redis的Hash實際是內部儲存的Value為一個HashMap，並提供了直接存取這個Map成員的介面。如圖2所示，Key是使用者 ID, value是一個Map。這個Map的key是成員的屬性名，value是屬性值。這樣對資料的修改和存取都可以直接通過其內部Map的 Key(Redis裡稱內部Map的key為field), 也就是通過 key(使用者ID) + field(屬性標籤) 就可以操作對應屬性資料。當前HashMap的實現有兩種方式：當HashMap的成員比較少時Redis為了節省記憶體會採用類似一維陣列的方式來緊湊儲存，而不會採用真正的HashMap結構，這時對應的value的redisObject的encoding為zipmap，當成員數量增大時會自動轉成真正的HashMap,此時encoding為ht。

圖2 Redis的Hash資料型別

3）List

常用命令：lpush/rpush/lpop/rpop/lrange等；

應用場景：Redis list的應用場景非常多，也是Redis最重要的資料結構之一，比如twitter的關注列表，粉絲列表等都可以用Redis的list結構來實現；

實現方式：Redis list的實現為一個雙向連結串列，即可以支援反向查詢和遍歷，更方便操作，不過帶來了部分額外的記憶體開銷，Redis內部的很多實現，包括髮送緩衝佇列等也都是用的這個資料結構。

4）Set

常用命令：sadd/spop/smembers/sunion等；

應用場景：Redis set對外提供的功能與list類似是一個列表的功能，特殊之處在於set是可以自動排重的，當你需要儲存一個列表資料，又不希望出現重複資料時，set是一個很好的選擇，並且set提供了判斷某個成員是否在一個set集合內的重要介面，這個也是list所不能提供的；

實現方式：set 的內部實現是一個 value永遠為null的HashMap，實際就是通過計算hash的方式來快速排重的，這也是set能提供判斷一個成員是否在集合內的原因。

5）Sorted Set

常用命令：zadd/zrange/zrem/zcard等；

應用場景：Redis sorted set的使用場景與set類似，區別是set不是自動有序的，而sorted set可以通過使用者額外提供一個優先順序(score)的引數來為成員排序，並且是插入有序的，即自動排序。當你需要一個有序的並且不重複的集合列表，那麼可以選擇sorted set資料結構，比如twitter 的public timeline可以以發表時間作為score來儲存，這樣獲取時就是自動按時間排好序的。

實現方式：Redis sorted set的內部使用HashMap和跳躍表(SkipList)來保證資料的儲存和有序，HashMap裡放的是成員到score的對映，而跳躍表裡存放的是所有的成員，排序依據是HashMap裡存的score,使用跳躍表的結構可以獲得比較高的查詢效率，並且在實現上比較簡單。

2.3 Redis的持久化

Redis雖然是基於記憶體的儲存系統，但是它本身是支援記憶體資料的持久化的，而且提供兩種主要的持久化策略：RDB快照和AOF日誌。我們會在下文分別介紹這兩種不同的持久化策略。

2.3.1 Redis的AOF日誌

Redis支援將當前資料的快照存成一個資料檔案的持久化機制，即RDB快照。這種方法是非常好理解的，但是一個持續寫入的資料庫如何生成快照呢？Redis藉助了fork命令的copy on write機制。在生成快照時，將當前程式fork出一個子程式，然後在子程式中迴圈所有的資料，將資料寫成為RDB檔案。

我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照生成的時機，比如你可以配置當10分鐘以內有100次寫入就生成快照，也可以配置當1小時內有 1000次寫入就生成快照，也可以多個規則一起實施。這些規則的定義就在Redis的配置檔案中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis執行時設定規則，不需要重啟Redis。

Redis的RDB檔案不會壞掉，因為其寫操作是在一個新程式中進行的，當生成一個新的RDB檔案時，Redis生成的子程式會先將資料寫到一個臨時檔案中，然後通過原子性rename系統呼叫將臨時檔案重新命名為RDB檔案，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB檔案都總是可用的。同時，Redis 的RDB檔案也是Redis主從同步內部實現中的一環。

但是，我們可以很明顯的看到，RDB有他的不足，就是一旦資料庫出現問題，那麼我們的RDB檔案中儲存的資料並不是全新的，從上次RDB檔案生成到 Redis停機這段時間的資料全部丟掉了。在某些業務下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業務使用RDB的方式進行持久化，因為開啟RDB的代價並不高。但是對於另外一些對資料安全性要求極高的應用，無法容忍資料丟失的應用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF日誌。

2.3.2 Redis的AOF日誌

AOF日誌的全稱是append only file，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日誌檔案。與一般資料庫的binlog不同的是，AOF檔案是可識別的純文字，它的內容就是一個個的Redis標準命令。當然，並不是傳送發Redis的所有命令都要記錄到AOF日誌裡面，只有那些會導致資料發生修改的命令才會追加到AOF檔案。那麼每一條修改資料的命令都生成一條日誌，那麼AOF檔案是不是會很大？答案是肯定的，AOF檔案會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF檔案，新的AOF檔案中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老檔案那樣，可能記錄了對同一個值的多次操作。其生成過程和RDB類似，也是fork一個程式，直接遍歷資料，寫入新的AOF臨時檔案。在寫入新檔案的過程中，所有的寫操作日誌還是會寫到原來老的 AOF檔案中，同時還會記錄在記憶體緩衝區中。當重完操作完成後，會將所有緩衝區中的日誌一次性寫入到臨時檔案中。然後呼叫原子性的rename命令用新的 AOF檔案取代老的AOF檔案。

AOF是一個寫檔案操作，其目的是將操作日誌寫到磁碟上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麼寫AOF的操作安全性又有多高呢。實際上這是可以設定的，在Redis中對AOF呼叫write(2)寫入後，何時再呼叫fsync將其寫到磁碟上，通過appendfsync選項來控制，下面 appendfsync的三個設定項，安全強度逐漸變強。

1）appendfsync no

當設定appendfsync為no的時候，Redis不會主動呼叫fsync去將AOF日誌內容同步到磁碟，所以這一切就完全依賴於作業系統的除錯了。對大多數Linux作業系統，是每30秒進行一次fsync，將緩衝區中的資料寫到磁碟上。

2）appendfsync everysec

當設定appendfsync為everysec的時候，Redis會預設每隔一秒進行一次fsync呼叫，將緩衝區中的資料寫到磁碟。但是當這一次的 fsync呼叫時長超過1秒時。Redis會採取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒後再進行fsync，這一次的fsync就不管會執行多長時間都會進行。這時候由於在fsync時檔案描述符會被阻塞，所以當前的寫操作就會阻塞。所以結論就是，在絕大多數情況下，Redis會每隔一秒進行一次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進行一次fsync操作。這一操作在大多數資料庫系統中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的資料，一次性將日誌寫到磁碟。

3）appednfsync always

當設定appendfsync為always時，每一次寫操作都會呼叫一次fsync，這時資料是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其效能也會受到影響。

3. Memcached和Redis關鍵技術對比

作為記憶體資料緩衝系統，Memcached和Redis均具有很高的效能，但是兩者在關鍵實現技術上具有很大差異，這種差異決定了兩者具有不同的特點和不同的適用條件。下面我們會對兩者的關鍵技術進行一些對比，以此來揭示兩者的差異。

3.1 Memcached和Redis的記憶體管理機制對比

對於像Redis和Memcached這種基於記憶體的資料庫系統來說，記憶體管理的效率高低是影響系統效能的關鍵因素。傳統C語言中的 malloc/free函式是最常用的分配和釋放記憶體的方法，但是這種方法存在著很大的缺陷：首先，對於開發人員來說不匹配的malloc和free容易造成記憶體洩露；其次，頻繁呼叫會造成大量記憶體碎片無法回收重新利用，降低記憶體利用率；最後，作為系統呼叫，其系統開銷遠遠大於一般函式呼叫。所以，為了提高記憶體的管理效率，高效的記憶體管理方案都不會直接使用malloc/free呼叫。Redis和Memcached均使用了自身設計的記憶體管理機制，但是實現方法存在很大的差異，下面將會對兩者的記憶體管理機制分別進行介紹。

3.1.1 Memcached的記憶體管理機制

Memcached預設使用Slab Allocation機制管理記憶體，其主要思想是按照預先規定的大小，將分配的記憶體分割成特定長度的塊以儲存相應長度的key-value資料記錄，以完全解決記憶體碎片問題。Slab Allocation機制只為儲存外部資料而設計，也就是說所有的key-value資料都儲存在Slab Allocation系統裡，而Memcached的其它記憶體請求則通過普通的malloc/free來申請，因為這些請求的數量和頻率決定了它們不會對整個系統的效能造成影響

Slab Allocation的原理相當簡單。如圖3所示，它首先從作業系統申請一大塊記憶體，並將其分割成各種尺寸的塊Chunk，並把尺寸相同的塊分成組Slab Class。其中，Chunk就是用來儲存key-value資料的最小單位。每個Slab Class的大小，可以在Memcached啟動的時候通過制定Growth Factor來控制。假定Figure 1中Growth Factor的取值為1.25，所以如果第一組Chunk的大小為88個位元組，第二組Chunk的大小就為112個位元組，依此類推。

圖3 Memcached記憶體管理架構

當Memcached接收到客戶端傳送過來的資料時首先會根據收到資料的大小選擇一個最合適的Slab Class，然後通過查詢Memcached儲存著的該Slab Class內空閒Chunk的列表就可以找到一個可用於儲存資料的Chunk。當一條資料庫過期或者丟棄時，該記錄所佔用的Chunk就可以回收，重新新增到空閒列表中。從以上過程我們可以看出Memcached的記憶體管理制效率高，而且不會造成記憶體碎片，但是它最大的缺點就是會導致空間浪費。因為每個 Chunk都分配了特定長度的記憶體空間，所以變長資料無法充分利用這些空間。如圖 4所示，將100個位元組的資料快取到128個位元組的Chunk中，剩餘的28個位元組就浪費掉了。

圖4 Memcached的儲存空間浪費

3.1.2 Redis的記憶體管理機制

Redis的記憶體管理主要通過原始碼中zmalloc.h和zmalloc.c兩個檔案來實現的。Redis為了方便記憶體的管理，在分配一塊記憶體之後，會將這塊記憶體的大小存入記憶體塊的頭部。如圖 5所示，real_ptr是redis呼叫malloc後返回的指標。redis將記憶體塊的大小size存入頭部，size所佔據的記憶體大小是已知的，為 size_t型別的長度，然後返回ret_ptr。當需要釋放記憶體的時候，ret_ptr被傳給記憶體管理程式。通過ret_ptr，程式可以很容易的算出 real_ptr的值，然後將real_ptr傳給free釋放記憶體。

圖5 Redis塊分配

Redis通過定義一個陣列來記錄所有的記憶體分配情況，這個陣列的長度為ZMALLOC_MAX_ALLOC_STAT。陣列的每一個元素代表當前程式所分配的記憶體塊的個數，且記憶體塊的大小為該元素的下標。在原始碼中，這個陣列為zmalloc_allocations。 zmalloc_allocations[16]代表已經分配的長度為16bytes的記憶體塊的個數。zmalloc.c中有一個靜態變數 used_memory用來記錄當前分配的記憶體總大小。所以，總的來看，Redis採用的是包裝的mallc/free，相較於Memcached的記憶體管理方法來說，要簡單很多。

3.2 Redis和Memcached的叢集實現機制對比

Memcached是全記憶體的資料緩衝系統，Redis雖然支援資料的持久化，但是全記憶體畢竟才是其高效能的本質。作為基於記憶體的儲存系統來說，機器實體記憶體的大小就是系統能夠容納的最大資料量。如果需要處理的資料量超過了單臺機器的實體記憶體大小，就需要構建分散式叢集來擴充套件儲存能力。

3.2.1 Memcached的分散式儲存

Memcached本身並不支援分散式，因此只能在客戶端通過像一致性雜湊這樣的分散式演算法來實現Memcached的分散式儲存。圖6 給出了Memcached的分散式儲存實現架構。當客戶端向Memcached叢集傳送資料之前，首先會通過內建的分散式演算法計算出該條資料的目標節點，然後資料會直接傳送到該節點上儲存。但客戶端查詢資料時，同樣要計算出查詢資料所在的節點，然後直接向該節點傳送查詢請求以獲取資料。

圖6 Memcached客戶端分散式儲存實現

3.2.2 Redis的分散式儲存

相較於Memcached只能採用客戶端實現分散式儲存，Redis更偏向於在伺服器端構建分散式儲存。儘管Redis當前已經發布的穩定版本還沒有新增分散式儲存功能，但Redis開發版中已經具備了Redis Cluster的基本功能。預計在2.6版本之後，Redis就會發布完全支援分散式的穩定版本，時間不晚於2012年底。下面我們會根據開發版中的實現，簡單介紹一下Redis Cluster的核心思想。

Redis Cluster是一個實現了分散式且允許單點故障的Redis高階版本，它沒有中心節點，具有線性可伸縮的功能。圖7給出Redis Cluster的分散式儲存架構，其中節點與節點之間通過二進位制協議進行通訊，節點與客戶端之間通過ascii協議進行通訊。在資料的放置策略上，Redis Cluster將整個key的數值域分成4096個雜湊槽，每個節點上可以儲存一個或多個雜湊槽，也就是說當前Redis Cluster支援的最大節點數就是4096。Redis Cluster使用的分散式演算法也很簡單：crc16( key ) % HASH_SLOTS_NUMBER。

圖7 Redis分散式架構

為了保證單點故障下的資料可用性，Redis Cluster引入了Master節點和Slave節點。如圖4所示，在Redis Cluster中，每個Master節點都會有對應的兩個用於冗餘的Slave節點。這樣在整個叢集中，任意兩個節點的當機都不會導致資料的不可用。當Master節點退出後，叢集會自動選擇一個Slave節點成為新的Master節點。

圖8 Redis Cluster中的Master節點和Slave節點

3.3 Redis和Memcached整體對比

Redis的作者Salvatore Sanfilippo曾經對這兩種基於記憶體的資料儲存系統進行過比較，總體來看還是比較客觀的，現總結如下：

1）效能對比：由於Redis只使用單核，而Memcached可以使用多核，所以平均每一個核上Redis在儲存小資料時比Memcached效能更高。而在100k以上的資料中，Memcached效能要高於Redis，雖然Redis最近也在儲存大資料的效能上進行優化，但是比起 Memcached，還是稍有遜色。

2）記憶體使用效率對比：使用簡單的key-value儲存的話，Memcached的記憶體利用率更高，而如果Redis採用hash結構來做key-value儲存，由於其組合式的壓縮，其記憶體利用率會高於Memcached。

3）Redis支援伺服器端的資料操作：Redis相比Memcached來說，擁有更多的資料結構和並支援更豐富的資料操作，通常在Memcached 裡，你需要將資料拿到客戶端來進行類似的修改再set回去。這大大增加了網路IO的次數和資料體積。在Redis中，這些複雜的操作通常和一般的 GET/SET一樣高效。所以，如果需要快取能夠支援更復雜的結構和操作，那麼Redis會是不錯的選擇。

如果簡單地比較Redis與Memcached的區別，大多數都會得到以下觀點：

1 Redis不僅僅支援簡單的k/v型別的資料，同時還提供list，set，zset，hash等資料結構的儲存。

2 Redis支援資料的備份，即master-slave模式的資料備份。

3 Redis支援資料的持久化，可以將記憶體中的資料保持在磁碟中，重啟的時候可以再次載入進行使用。

總結：

1.Redis使用最佳方式是全部資料in-memory。

2.Redis更多場景是作為Memcached的替代者來使用。

3.當需要除key/value之外的更多資料型別支援時，使用Redis更合適。

4.當儲存的資料不能被剔除時，使用Redis更合適。

參考文章：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_48c95a1901016903.html