MySQL的`Innodb Memcaching`：如何利用它绕过SQL层，实现键值对的低延迟读写？

MySQL InnoDB Memcached：绕过SQL层实现低延迟键值对读写

大家好，今天我们来深入探讨MySQL InnoDB Memcached，一个允许我们绕过SQL层，直接利用InnoDB存储引擎进行键值对读写的强大工具。这对于需要极低延迟的场景，例如高速缓存、会话管理等，具有非常重要的意义。

1. InnoDB Memcached 的原理和架构

传统上，与MySQL交互需要通过SQL语句，SQL引擎会进行解析、优化、执行等一系列操作。这些操作会引入额外的开销，从而增加延迟。InnoDB Memcached 的目标是消除这些开销，实现更直接的访问。

InnoDB Memcached 的核心思想是：将InnoDB表作为键值对存储的数据结构，并通过Memcached协议直接与InnoDB存储引擎通信。 架构图如下(文字描述)：

+---------------------+     +---------------------+     +---------------------+
|    Memcached Client   | --> |  Memcached Daemon   | --> |  InnoDB Storage     |
+---------------------+     +---------------------+     +---------------------+
                                     |                     | (InnoDB Table)     |
                                     +---------------------+

• Memcached Client: 应用程序，使用标准的Memcached客户端库与Memcached Daemon通信。

• Memcached Daemon: 这是一个标准的Memcached服务器实例，但经过配置，它知道如何将Memcached协议的命令映射到InnoDB存储引擎的操作。它扮演着协议转换的角色。

• InnoDB Storage: 实际存储键值对数据的地方。InnoDB表被设计成特定的结构，以适应键值对的存储和高效查找。

关键点：

• 绕过SQL层: 数据读写不再需要经过SQL解析器和优化器。
• 利用InnoDB引擎: 使用InnoDB的事务特性、持久性、索引等功能。
• Memcached协议兼容: 应用程序可以使用现有的Memcached客户端库，无需修改代码。

2. InnoDB Memcached 的配置和使用

2.1 环境准备

• MySQL 5.6 或更高版本 (推荐 5.7 或 8.0)
• libmemcached (用于编译Memcached插件)

2.2 安装和配置 Memcached 插件

首先，需要确认 daemon_memcached 插件是否已安装。执行以下SQL语句：

SHOW PLUGINS;

如果 daemon_memcached 的 STATUS 列显示 ACTIVE，则插件已安装。否则，需要安装插件。

在MySQL中，安装 daemon_memcached 插件：

INSTALL PLUGIN daemon_memcached SONAME 'libmemcached.so'; -- 或者 'libmemcached.dylib' (macOS)

2.3 配置 Memcached Daemon

Memcached Daemon 需要配置成知道如何与InnoDB交互。这通过修改 my.cnf (或 my.ini 在Windows上) 文件来完成。添加或修改以下配置项：

[mysqld]
plugin-load=daemon_memcached.so # 加载插件
daemon_memcached_enable_binlog=OFF # 禁用binlog记录 (可选，提高性能，但会牺牲部分数据恢复能力)
daemon_memcached_r_batch_size=10 # 批量读取的大小 (调整以优化性能)
daemon_memcached_w_batch_size=10 # 批量写入的大小 (调整以优化性能)

[libmemcached]
daemon_memcached_servers=127.0.0.1:11211 # Memcached监听的地址和端口

重启 MySQL 服务 使配置生效。

2.4 创建 InnoDB 表

创建一个用于存储键值对的 InnoDB 表。这个表必须具有特定的列结构：

CREATE TABLE demo_cache (
  `c_key` VARCHAR(255) NOT NULL PRIMARY KEY,
  `c_value` VARCHAR(255) DEFAULT NULL,
  `c_flags` INT UNSIGNED NOT NULL DEFAULT 0,
  `c_cas` BIGINT UNSIGNED NOT NULL DEFAULT 0,
  `c_expire` INT UNSIGNED NOT NULL DEFAULT 0
) ENGINE=InnoDB;

关键列说明：

• c_key: 键 (VARCHAR)。必须是主键。
• c_value: 值 (VARCHAR)。
• c_flags: 标志位 (INT UNSIGNED)。用于存储额外的元数据，例如数据类型。
• c_cas: CAS (Check-and-Set) 值 (BIGINT UNSIGNED)。用于实现乐观锁。
• c_expire: 过期时间 (INT UNSIGNED)。Unix时间戳，表示数据的过期时间。

2.5 配置 Memcached Daemon 的访问映射

需要告诉 Memcached Daemon 如何将 Memcached 命令映射到 InnoDB 表。这通过 innodb_memcache.containers 表来配置。

USE innodb_memcache;

INSERT INTO containers (name, db_schema, db_table, key_name, value_name, flags_name, cas_name, expire_name, unique_idx_name)
VALUES ('demo', 'test', 'demo_cache', 'c_key', 'c_value', 'c_flags', 'c_cas', 'c_expire', 'PRIMARY');

字段说明：

• name: 容器名称。Memcached客户端将会使用这个名称来访问这个表。例如，demo。
• db_schema: 数据库名称。例如，test。
• db_table: 表名称。例如，demo_cache。
• key_name: 键列的名称。例如，c_key。
• value_name: 值列的名称。例如，c_value。
• flags_name: 标志位列的名称。例如，c_flags。
• cas_name: CAS列的名称。例如，c_cas。
• expire_name: 过期时间列的名称。例如，c_expire。
• unique_idx_name: 唯一索引的名称。通常是主键的名称，例如，PRIMARY。

2.6 使用 Memcached 客户端

现在，可以使用标准的 Memcached 客户端库来访问 InnoDB 表。

PHP 示例：

<?php

$memcache = new Memcache;
$memcache->connect('127.0.0.1', 11211) or die ("Could not connect");

$key = 'my_key';
$value = 'my_value';
$flags = 0; // 可以用来存储类型信息，例如序列化标志
$expire = time() + 3600; // 过期时间，1小时后

// 设置键值对
$memcache->set($key, $value, $flags, $expire);

// 获取键值对
$get_result = $memcache->get($key);

if ($get_result) {
    echo "Value for key '$key': " . $get_result . "n";
} else {
    echo "Key '$key' not found.n";
}

// 删除键值对
$memcache->delete($key);

$memcache->close();

?>

Python 示例：

import memcache

mc = memcache.Client(['127.0.0.1:11211'], debug=0)

key = 'my_key'
value = 'my_value'
flags = 0
expire = 3600  # 过期时间，秒

# 设置键值对
mc.set(key, value, flags=flags, time=expire)

# 获取键值对
result = mc.get(key)

if result:
    print(f"Value for key '{key}': {result}")
else:
    print(f"Key '{key}' not found.")

# 删除键值对
mc.delete(key)

注意： 在使用 memcache->get() (PHP) 或 mc.get() (Python) 获取数据时，返回的是字符串类型。如果存储的是其他类型的数据，需要根据 c_flags 的值进行相应的类型转换。例如，如果 c_flags 设置为 1 表示序列化的PHP对象，则需要使用 unserialize() 函数进行反序列化。

3. InnoDB Memcached 的高级特性

3.1 CAS (Check-and-Set) 实现乐观锁

InnoDB Memcached 支持 CAS 操作，可以用于实现乐观锁。乐观锁是一种并发控制机制，它假设多个客户端可以同时访问和修改数据，但在提交更改时会检查数据是否被其他客户端修改过。

原理：

1. 客户端获取数据时，同时获取 c_cas 的值。
2. 客户端修改数据后，尝试使用 cas() 操作更新数据，同时提供原始的 c_cas 值。
3. 如果 c_cas 值与数据库中的值匹配，则更新成功，c_cas 值也会更新。
4. 如果 c_cas 值不匹配，则更新失败，表示数据已被其他客户端修改。客户端需要重新获取数据，进行修改，然后重试。

PHP 示例：

<?php

$memcache = new Memcache;
$memcache->connect('127.0.0.1', 11211) or die ("Could not connect");

$key = 'my_counter';

// 初始化计数器
if ($memcache->get($key) === false) {
    $memcache->set($key, 0, 0, 0);
}

// 循环尝试更新计数器，直到成功
for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
    // 获取当前值和CAS值
    $current_value = $memcache->get($key);
    $cas_token = $memcache->cas($key); // 获取 CAS token

    // 模拟一些耗时操作
    sleep(rand(0, 1));

    // 计算新值
    $new_value = $current_value + 1;

    // 使用CAS操作更新计数器
    $result = $memcache->cas($key, $new_value, 0, 0, $cas_token);

    if ($result) {
        echo "Incremented counter to " . $new_value . "n";
        break; // 更新成功，退出循环
    } else {
        echo "CAS failed, retrying...n";
    }
}

$memcache->close();

?>

3.2 Flags 的使用

c_flags 列可以用于存储数据的元数据，例如数据类型。这使得可以在 Memcached 中存储不同类型的数据，并在读取时进行正确的类型转换。

示例：

• 0: 字符串
• 1: 序列化的 PHP 对象
• 2: JSON 字符串
• 3: 整型

PHP 示例：

<?php

$memcache = new Memcache;
$memcache->connect('127.0.0.1', 11211) or die ("Could not connect");

$key = 'my_object';
$object = new stdClass();
$object->name = 'John Doe';
$object->age = 30;

// 序列化对象
$serialized_object = serialize($object);
$flags = 1; // 表示序列化的 PHP 对象
$expire = 0;

// 存储序列化的对象
$memcache->set($key, $serialized_object, $flags, $expire);

// 获取序列化的对象
$get_result = $memcache->get($key);
$get_flags = $memcache->getFlags(); // 获取flags

if ($get_result) {
    // 检查flags，进行反序列化
    if ($get_flags == 1) {
        $unserialized_object = unserialize($get_result);
        echo "Object name: " . $unserialized_object->name . "n";
        echo "Object age: " . $unserialized_object->age . "n";
    } else {
        echo "Value for key '$key': " . $get_result . "n";
    }
} else {
    echo "Key '$key' not found.n";
}

$memcache->close();

?>

3.3 批量操作

daemon_memcached_r_batch_size 和 daemon_memcached_w_batch_size 参数控制了批量读取和写入操作的大小。 通过调整这两个参数，可以优化性能，特别是在高并发的场景下。

4. InnoDB Memcached 的优缺点

优点：

• 低延迟: 绕过SQL层，直接访问InnoDB存储引擎，显著降低读写延迟。
• 数据持久性: 数据存储在InnoDB表中，具有事务特性和持久性，保证数据安全。
• Memcached 协议兼容: 可以使用标准的Memcached客户端库，降低了开发成本。
• 利用 InnoDB 特性: 可以使用InnoDB的索引、事务、复制等功能。
• 简化架构: 减少了对传统缓存系统的依赖，简化了系统架构。

缺点：

• 配置复杂: 配置过程相对复杂，需要正确设置插件、表结构和访问映射。
• 数据类型限制: c_value 列通常是字符串类型，需要进行类型转换。
• 性能瓶颈: 在高并发写入场景下，InnoDB的写入性能可能会成为瓶颈。
• 适用场景有限: 适用于简单的键值对存储，不适合复杂的查询和关联操作。
• 维护成本：如果使用不当，可能会增加数据库维护成本，例如需要监控缓存命中率，定期清理过期数据等。

5. 适用场景

• 高速缓存: 缓存常用的数据，例如用户信息、商品信息等，提高访问速度。
• 会话管理: 存储用户会话数据，例如用户ID、登录状态等。
• 计数器: 实现高并发的计数器，例如页面访问量、点赞数等。
• 配置信息: 存储配置信息，例如数据库连接信息、API密钥等。

6. 最佳实践

• 选择合适的表结构: 根据实际需求选择合适的表结构，例如键的长度、值的类型等。
• 合理设置过期时间: 根据数据的更新频率和重要性，合理设置过期时间。
• 监控缓存命中率: 监控缓存命中率，及时调整缓存策略。
• 定期清理过期数据: 定期清理过期数据，释放存储空间。
• 考虑数据一致性: 在高并发写入场景下，需要考虑数据一致性问题。可以使用CAS操作或事务来保证数据一致性。
• 避免存储大对象: 尽量避免存储大对象，因为这会影响性能。
• 结合 SQL 查询: 对于复杂的查询，仍然可以使用 SQL 语句，将结果缓存到 Memcached 中。

7. InnoDB Memcached 和 Redis 的比较

特性	InnoDB Memcached	Redis
数据持久性	支持 (通过 InnoDB 引擎)	支持 (RDB 快照, AOF 日志)
数据类型	主要为字符串，可以通过 flags 列扩展	支持多种数据类型 (字符串, 哈希, 列表, 集合, 有序集合)
事务支持	支持 (依赖 InnoDB 引擎)	支持 (MULTI, EXEC, DISCARD)
复杂查询	不支持	支持 (但通常不用于复杂查询，更适合键值对操作)
性能	读性能非常高，写性能受 InnoDB 引擎限制	读写性能都很高，但写性能略低于纯内存缓存
适用场景	简单键值对缓存，需要数据持久性，希望利用现有 MySQL 基础设施	复杂数据结构缓存，需要更高性能，数据一致性要求较高
配置复杂度	较高	较低
扩展性	依赖 MySQL 的扩展性	支持主从复制、Sentinel 哨兵模式、Cluster 集群

简单概括：InnoDB Memcached 适用于需要持久化存储且对复杂数据结构需求不高的场景，可以利用现有 MySQL 基础设施。Redis 则更适用于需要高性能、丰富数据结构和灵活扩展性的场景。

InnoDB Memcached 提供了一种绕过SQL层直接访问InnoDB存储引擎的方式，显著降低了读写延迟，并能利用InnoDB的事务特性和持久性。虽然配置相对复杂，适用场景有限，但在特定的应用场景下，例如高速缓存、会话管理等，可以发挥重要的作用。在实际应用中，需要根据具体的业务需求和技术架构，权衡各种因素，选择最合适的缓存方案。