Memcached 是一種高性能的分布式內存緩存系統，主要用于減輕數據庫的負載，提高應用程序的讀取速度。以下是 Memcached 的詳細工作原理：

1. 存儲原理

• 內存存儲：Memcached 將數據存儲在內存中，內存的讀寫速度遠遠高于磁盤，因此能夠快速地存取數據。它使用一個哈希表來存儲數據，通過鍵（Key）來快速定位數據。
• 數據結構：Memcached 中的數據以鍵值對的形式存儲，鍵是唯一的標識符，值是存儲的內容。值可以是字符串、數字、對象等，但通常需要進行序列化處理后存儲。

2. 內存管理機制

• 分段存儲：Memcached 將內存劃分為多個固定大小的塊（chunk），每個塊的大小通常是 1MB。當存儲一個鍵值對時，Memcached 會根據值的大小選擇合適的塊進行存儲。
• LRU 算法：當內存空間不足時，Memcached 使用最近最少使用（LRU）算法來淘汰數據。即優先刪除最近最少被訪問的數據，以釋放空間存儲新的數據。
• 內存碎片管理：為了避免內存碎片化，Memcached 采用了一種稱為“slab allocation”的內存分配機制。它將內存劃分為多個 slab 類，每個 slab 類包含固定大小的塊。當存儲一個鍵值對時，Memcached 會根據值的大小選擇合適的 slab 類進行存儲。

3. 數據存儲與檢索過程

• 存儲過程：
  • 客戶端將數據發送到 Memcached 服務器。
  • Memcached 服務器根據鍵（Key）計算哈希值，確定數據存儲的位置。
  • 如果內存中有足夠的空間，則將數據存儲到內存中；如果沒有足夠的空間，則通過 LRU 算法淘汰舊數據，釋放空間后再存儲。
• 檢索過程：
  • 客戶端請求數據時，將鍵（Key）發送到 Memcached 服務器。
  • Memcached 服務器根據鍵計算哈希值，查找內存中是否存在該鍵對應的數據。
  • 如果找到數據，則將數據返回給客戶端；如果沒有找到，則返回空值。

4. 分布式原理

• 一致性哈希算法：在分布式環境中，Memcached 使用一致性哈希算法來分配數據到不同的服務器節點。一致性哈希算法能夠保證當服務器節點數量發生變化時，只有少量的數據需要重新分配，從而減少數據遷移的開銷。
• 多節點存儲：用戶可以將多個 Memcached 服務器組成一個集群，每個服務器節點存儲一部分數據。客戶端通過一致性哈希算法將請求路由到對應的服務器節點，從而實現數據的分布式存儲和訪問。

5. 通信協議

• 文本協議：Memcached 支持簡單的文本協議，客戶端可以通過發送文本命令與 Memcached 服務器進行通信。例如，存儲數據的命令是“set”，檢索數據的命令是“get”。
• 二進制協議：除了文本協議外，Memcached 還支持二進制協議，二進制協議具有更高的性能和安全性，適用于對性能要求較高的場景。

6. 數據過期機制

• 時間過期：用戶可以在存儲數據時指定一個過期時間（TTL），當超過這個時間后，數據會自動失效。客戶端請求失效的數據時，Memcached 會返回空值。
• 顯式刪除：客戶端也可以通過發送刪除命令顯式地刪除數據。

7. 線程模型

• 多線程處理：Memcached 服務器采用多線程模型來處理客戶端請求，每個線程負責處理一部分客戶端連接。這種多線程模型能夠充分利用多核 CPU 的性能，提高系統的并發處理能力。

綜上所述，通過以上這些機制，Memcached 能夠高效地存儲和檢索數據，為應用程序提供快速的緩存服務，從而提高系統的整體性能。