使用memc-nginx和srcache-nginx模块构建高效透明的缓存机制

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Nginx的Memc和SR Cache模块

缓存策略的改进

为了提高性能,几乎所有互联网应用都有缓存机制,其中Memcache是使用非常广泛的一个分布式缓存系统。众所周知,LAMP是非常经典的Web架构方式,但是随着Nginx的成熟,越来越多的系统开始转型为LNMP(Linux+Nginx+MySQL+PHP with fpm),这是因为Nginx采用基于事件机制的I/O多路复用思想设计,在高并发情况下其性能远远优于默认采用prefork模式的Apache,另外,相对于Apache,Nginx更轻量,同时拥有大量优秀的扩展模块,使得在Nginx上可以实现一些美妙的功能。

传统上,PHP中使用memcache的方法是使用php-memcache或php-memached扩展操作Memcache,然而在Nginx上有构建更高效缓存机制的方法,本文将首先介绍这种机制,然后介绍具体的操作步骤方法,最后将对这种机制和传统的PHP操作memcache的性能进行一个benchmark。

我们知道,Nginx的核心设计思想是事件驱动的非阻塞I/O。

Nginx被设计为可以配置I/O多路复用策略,在Unix系统中传统的多路复用是采用select或poll,但是这两个方法的问题是随着监听 socket的增加,性能会下降,因为在linux内核中是采用轮询的方式判断是否可以触发事件,换句话说算法的复杂度为O(N),而在较新的linux 内核中引入了复杂度为O(1)的epoll,因此Nginx在Linux下默认采用epoll,而在FreeBSD下默认采用kqueue作为I/O策 略。

即便是这样,传统的缓存策略仍可能造成效率低下,因为传统上是通过PHP操作memcache的,要执行PHP代码,Nginx就必然要和FastCGI 通信,同时也要进入PHP的生命周期,因此SAPI、PHP Core和Zend Engine的一系列逻辑会被执行。更糟糕的是,fpm和PHP可能会阻塞,因此破坏了Nginx的非阻塞性。(原文中此处表述有误,fastcgi与 nginx进行同步通信,但并不会破坏nginx i/o的非阻塞性,多谢agentzh给予指正)下图展示了在memcache命中时整个处理过程。

可以看到,即使Memcache命中,还是要进入PHP的生命周期。我们知道,目前很多互联网应用都使用RESTful规范进行设计,在RESTful应 用下,普遍使用uri和查询参数作为缓存的key,因此一种更高效的缓存策略是Nginx直接访问Memcache,并用$uri和$args等 Nginx内置变量设定缓存key规则,这样,当缓存命中时,Nginx可以跳过通过fastcgi和PHP通信的过程,直接从memcache中获取数 据并返回。memc-nginx和srcache-nginx正是利用这种策略提高了缓存的效率。下图是这种高效缓存策略的示意图(当memcache命 中时)。

模块介绍

memc-nginxsrcache-nginx模 块均为前淘宝工程师agentzh(章亦春)开发。其中memc模块扩展了Nginx标准的memcache模块,增加了set、add、delete等 memcache命令,而srcache则是为location增加了透明的基于subrequest的缓存层。两者配合使用,可以实现上一节提到的高效 缓存机制。关于两个模块的详细信息可以参考它们Nginx官网的wiki(memc wikisrcache wiki)页。

安装及配置

下面以LNMP环境介绍如何使用这两个模块构建缓存层。

因为Nginx并不支持模块动态加载,所以要安装新的模块,必须重新编译Nginx。首先下载两个模块(memc下载地址,srcache下载地址),另外,为了发挥出缓存的最大性能,建议将memcache的upstream配置为keep-alive,为了支持upstream的keep-alive需要同时安装http-upstream-keepalive-module。

将模块下载并解压到合适的目录,这里我Nginx使用的版本是1.0.4,与相关模块一起解压到了/home/www/download

然后就可以编译安装Nginx了,命令如下:

./configure --prefix=/usr/local/nginx \
--add-module=../memc-nginx-module \
--add-module=../srcache-nginx-module \
--add-module=../ngx_http_upstream_keepalive
make
make install

这里我将nginx安装到/usr/local/nginx下,你可以根据自己的需要更改安装路径,另外,我只列出了本文必要的configure命令,你也可以增加需要的configure选项。
然后需要对nginx进行配置,nginx默认主配置文件放在安装目录的conf下,例如我的主配置文件为/usr/local/nginx/conf/nginx.conf。
这里我只贴出相关的配置:

#Memcache服务upstream
upstream memcache {
    server localhost:11211;
    keepalive 512 single;
}
server {
    listen       80;
    server_name  localhost;
    #memc-nginx-module
    location /memc {
        internal;
        memc_connect_timeout 100ms;
        memc_send_timeout 100ms;
        memc_read_timeout 100ms;
        set $memc_key $query_string;
        set $memc_exptime 300;
        memc_pass memcache;
    }
    location / {
        root   /var/www;
        index  index.html index.htm index.php;
    }
    # pass the PHP scripts to FastCGI server listening on 127.0.0.1:9000
    #
    location ~ \.php$ {
        charset        utf-8;
        default_type   text/html;
        #srcache-nginx-module
        set $key $uri$args;
        srcache_fetch GET /memc $key;
        srcache_store PUT /memc $key;
        root           /var/www;
        fastcgi_pass   127.0.0.1:9000;
        fastcgi_index  index.php;
        include        fastcgi_params;
        fastcgi_param  SCRIPT_FILENAME $document_root$fastcgi_script_name;
    }
}

下面解释一下其中几个点。
上文说过,memc-nginx是一个标准的upstream模块,因此首先需要定义memcache的upstream。这里我在本机上启动了一个 memcache服务,端口为默认的11211,keepalive指令是http-upsteram-keepalive-module提供的功能,这 里我们最大保持512个不立即关闭的连接用于提升性能。

下面是为memc-nginx-module配置location,我们配置为/memc,所有请求都通过请求这个location来操作 memcache,memc-nginx-module存取memcache是基于http method语义的,使用http的GET方法表示get、PUT方法表示set、DELETE方法表示delete。这里我们将/memc设为internal表示只接受内部访问,不接收外部http请求,这是为了安全考虑,当然如果需要通过http协议开放外部访问,可以去掉internal然后使用deny和allow指 令控制权限。比较重要的是$memc_key这个变量,它表示以什么作为key,这里我们直接使用Nginx内置的$query_string来作为 key,$memc_exptime表示缓存失效时间,以秒记。这里统一设为300(5分钟),在实际应用中可以根据具体情况为不同的内容设置不同的过期 时间。

最后我们为“~ \.php$”这个location配置了缓存,这表示所有以“.php”结尾的请求都会结果被缓存,当然这里只是示例需要,实际中一般不会这么配,而是为特定需要缓存的location配置缓存。

srcache_fetch表示注册一个输入拦截处理器到location,这个配置将在location进入时被执行;而srcache_store表 示注册一个输出拦截器到location,当location执行完成并输出时会被执行。注意srcache模块实际可以与任何缓存模块进行配合使用,而 不必一定是memc。这里我们以$uri$args作为缓存的key。

经过上述配置后,相当于对Nginx增加了如下逻辑:当所请求的uri以“.php”结尾时,首先到memcache中查询有没有以$uri$args为 key的数据,如果有则直接返回;否则,执行location的逻辑,如果返回的http状态码为200,则在输出前以$uri$args为key,将输 入结果存入memcache。

更多配置

上一节给出了使用memc和srcache构建缓存层的最基本方法,实际应用中可能需要更多灵活的配置,例如为不同的location配置不同的缓存参 数,根据返回内容而不是返回的http状态码确定是否缓存等等。可以有很多的方法实现这些需求,例如,srcache还支持两个指 令:srcache_fetch_skip和srcache_fetch_skip,这两个指令接受一个参数,当参数已定义且非0时,则进行相应操作,否 则不进行。例如,如果配置了srcache_fetch_skip $skip,这条指令,那么只有当$skip的值为非0时,才将结果缓存,如果配合ngx_lua模块的set_by_lua指令,则可以实现复杂的缓存控制。如:

location /xxxx {
    set $key ...;
    set_by_lua $skip '
        if ngx.var.cookie_foo == "bar" then
            return 1
        end
        return 0
    ';
    srcache_fetch_skip $skip;
    srcache_store_skip $skip;
    srcache_fetch GET /memc $key;
    srcache_store GET /memc $key;
    # proxy_pass/fastcgi_pass/...
}

这表示对/xxxx这个location的访问,只有存在cookie “foo”且值为“bar”时缓存机制才起作用。关于ngx_lua的更多内容请参考其主页。

另外,我最近在春哥(章亦春在淘宝的昵称)的微博上看到他目前正在完善srcache的功能,为其实现更多RFC2616的缓存行为标准。关于这个模块的最新动态可以关注其github主页。

Benchmark

下面对使用memc和srcache构建的缓存机制进行一个简单的benchmark,并与使用PHP操作memcache的策略进行一个对比。为了简单起见,我们的测试PHP脚本不去访问I/O,而仅仅是调用phpinfo函数输出PHP相关信息。
测试一共分三组进行:第一组在Nginx和PHP中均不开启缓存,第二组仅使用PHP memcache缓存,第三组仅使用Nginx memcache缓存。三组都用ab程序去压,并发数为20,请求次数为10000。
这里的测试环境是我的一个虚拟机,操作系统为Ubuntu10,内存512M。Nginx采用epoll,单worker进程,memcache最大并发数为1024,最大使用内存64m。

不开启缓存

这一组我们不开启缓存,PHP程序非常简单:

<?php
phpinfo();
?>

测试结果如下:

PHP memcache缓存策略

第二组我们用PHP操作缓存,测试脚本为:

<?php
$memc = new Memcached;
$memc->addServer('localhost', 11211) or die('Connect to memcache server failed!');
$output = $memc->get('my_key');
if(empty($output)) {
    ob_start();
    phpinfo();
    $output = ob_get_contents();
    ob_end_clean();
    $memc->set('my_key', $output, 300);
}
echo $output; 
?>

测试结果如下:

Nginx memcache缓存策略

最后,我们将PHP脚本回归到不使用缓存的版本,并配置好memc和srcache缓存机制。
测试结果如下:

结果对比分析

为了直观,我取“每秒处理请求数”、“平均每个请求处理时间”和“吞吐率”作为评价指标,制作了一张图表。

我想看到图表,结论已毋需我多言。在各项指标上使用memc和srcache构建的缓存机制都大大优于使用PHP操作memcache。其中每秒处理请求数(并发度)和吞吐率都是其9倍左右,而平均个请求所用时间仅有传统策略的1/8。

这里要特别说明一下,这里之所以PHP memcache策略比不使用缓存优势不明显,是因为我们的PHP脚本不涉及I/O操作,如果其中存在如数据库存取,PHP memcache的优势还是有的,但不论如何,Nginx memcache策略在性能上的优势是其无法比拟的。

另外,除了性能优势外,使用这种策略还可以简化PHP逻辑,因为缓存这一层都放在Nginx中了,PHP就从缓存操作中解放了出来,因此是一举多得。

如果你的系统也构建在LNMP上(或LAMP)上,不妨使用本文提到的方法替代传统的缓存策略,尽情享受性能上的提升。

转载:张洋个人博客 — 使用memc-nginx和srcache-nginx模块构建高效透明的缓存机制

来源:http://www.qixing318.com/article/using-memc-nginx-and-srcache-nginx-module-build-efficient-and-transparent-caching-mechanism.html



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