Key/Value之王Memcached初探：二、Memcached在.Net中的基本操作
一、Memcached ClientLib For .Net
首先，不得不说，许多语言都实现了连接Memcached的客户端，其中以Perl、PHP为主。 仅仅memcached网站上列出的语言就有：Perl、PHP、Python、Ruby、C#、C/C++以及Lua等。
那么，我们作为.Net码农，自然是使用C#。既然Memcached客户端有.Net版，那我们就去下载一个来试试。
下载文件：http://pan.baidu.com/s/1w9Q8I
memcached clientlib项目地址：http://sourceforge.net/projects/memcacheddotnet/
解压该包，里面有1.1和2.0两个版本的，这里我们使用2.0版本的。（在压缩包中的目录地址为：\memcacheddotnet_clientlib-1.1.5\memcacheddotnet\trunk\clientlib\src\clientlib\bin\2.0\Release）
上面的这四个dll就是我们需要引入项目中的程序集，有了他们，我们就可以和Memcached服务器进行通信了，爽歪歪啊。
二、在.Net中进行Memcached基本操作
2.1 基本的Memcached客户端操作
（1）首先，打开Windows Server 2003虚拟机，开启Memcached服务；（非必要操作，如果您是在本机，则可跳过这一步，只需开启Memcached服务即可）
（2）①打开VS，新建一个C#的控制台应用程序，取名为：MemcachedClientDemo。
②新建一个文件夹，取名为Lib，然后将上面下载的客户端程序集dll拷贝到这个文件夹中，并添加对这几个dll的引用。
（3）开始写代码，通过Memcached客户端与服务器进行通信，请参阅下面的代码：
[STAThread]
static void Main(string[] args)
{
// Memcached服务器列表
// 如果有多台服务器，则以逗号分隔，例如："192.168.80.10:11211","192.168.80.11:11211"
string[] serverList = { "192.168.80.10:11211" };
// 初始化SocketIO池
string poolName = "MyPool";
SockIOPool sockIOPool = SockIOPool.GetInstance(poolName);
// 添加服务器列表
sockIOPool.SetServers(serverList);
// 设置连接池初始数目
sockIOPool.InitConnections = 3;
// 设置连接池最小连接数目
sockIOPool.MinConnections = 3;
// 设置连接池最大连接数目
sockIOPool.MaxConnections = 5;
// 设置连接的套接字超时时间（单位：毫秒）
sockIOPool.SocketConnectTimeout = 1000;
// 设置套接字超时时间（单位：毫秒）
sockIOPool.SocketTimeout = 3000;
// 设置维护线程运行的睡眠时间：如果设置为0，那么维护线程将不会启动
sockIOPool.MaintenanceSleep = 30;
// 设置SockIO池的故障标志
sockIOPool.Failover = true;
// 是否用nagle算法启动
sockIOPool.Nagle = false;
// 正式初始化容器
sockIOPool.Initialize();
// 获取Memcached客户端实例
MemcachedClient memClient = new MemcachedClient();
// 指定客户端访问的SockIO池
memClient.PoolName = poolName;
// 是否启用压缩数据：如果启用了压缩，数据压缩长于门槛的数据将被储存在压缩的形式
memClient.EnableCompression = false;
Console.WriteLine("----------------------------测试开始----------------------------");
// 01.简单的添加与读取操作
memClient.Set("test1", "edisonchou");
Console.WriteLine("test1:{0}", memClient.Get("test1"));
// 02.先添加后修改再读取操作
memClient.Set("test2", "jacky");
Console.WriteLine("test2:{0}", memClient.Get("test2"));
memClient.Set("test2", "edwin");
Console.WriteLine("test2:{0}", memClient.Get("test2"));
memClient.Replace("test2", "lousie");
Console.WriteLine("test2:{0}", memClient.Get("test2"));
// 03.判断Key值是否存在
if (memClient.KeyExists("test2"))
{
Console.WriteLine("Key:test2 is existed");
}
// 04.删除指定Key值的数据
memClient.Add("test3", "memcached");
Console.WriteLine("test3:{0}", memClient.Get("test3"));
memClient.Delete("test3");
if (!memClient.KeyExists("test3"))
{
Console.WriteLine("Key:test3 is not existed");
}
// 05.设置数据过期时间：5秒后过期
memClient.Add("test4", "expired", DateTime.Now.AddSeconds(5));
Console.WriteLine("test4:{0}", memClient.Get("test4"));
Console.WriteLine("Please waiting the sleeping time");
System.Threading.Thread.Sleep(6000);
if(!memClient.KeyExists("test4"))
{
Console.WriteLine("test4 is expired");
}
Console.WriteLine("----------------------------测试完成----------------------------");
// 关闭SockIO池
sockIOPool.Shutdown();
Console.ReadKey();
}
这里，我们来细细分析下这段神奇的代码：
①首先定义了一个string类型的数组来记录Memcached服务器的IP与端口信息，这里需要注意的是如果有多台Memcached服务器，需要使用逗号分隔开，例如："192.168.80.10:11211","192.168.80.11:11211","192.168.80.12:11211"；
②SockIOPool是一个基于Socket（套接字）的连接池，换个方式理解：Memcached其实就是一个Socket的服务器端，它不停地接收Memcached客户端发来的读写请求命令。这里使用了SockIOPool.GetInstance("MyPool")来获取一个名为MyPool的连接池实例，看到GetInstance()这个静态方法，我们便知道这是采用了单例模式。后面我们为其配置了可访问的Memcached服务器列表、连接数、套接字超时时间等配置，最后调用Initialize()方法正式地初始化连接池，等待后面客户端的连接；
PS：神马是Socket？我们可以通过一个生活中的场景来理解：假如你要打电话给一个朋友，拿起电话先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等到你们的交流结束，挂断电话以结束此次交谈。So，这里的电话就是一个Socket，你打电话相当于申请了一个Socket，告诉了Socket你要打给谁（对方的电话号码你事先知道）。然后，你和对方进行聊天通话，相当于在向Socket发送数据和从Socket接收数据。最后，通话结束后，一方挂掉电话则相当于关闭Socket，撤销连接。
在计算机网络的连接过程中，客户端Socket一般会记录服务器主机的IP地址、端口号，然后向服务器端进行连接并发送和接受数据。而服务器端开启一个监听的服务，则是相当于使用Socket指定监听的端口，然后等待客户端的连接，客户端连接后则产生一个会话。会话完成后，则关闭连接。
③创建一个新的MemcachedClient（Memcached客户端）对象，并指定要连接的套接字连接池的名称，设置是否启用压缩（这里设置为false）。这里我们了解一下为什么要设置是否起用压缩： 在Memcached中，数据是以Key/Value对的形式进行存储，Key的长度是有限制的，Memcached服务端内部限制Key为250字符，这个长度绝对是够用了，建议不要超过最大长度，尽量控制在200个字符以下。其实，我们最关心的还是Value的限制长度，Value的限制大小为1MB，那么如果有时候超过了1MB怎么办呢？这时候也许就可以使用压缩了，使用压缩后如果小于1Mb还是可以存储到该Key中。但如果即使压缩后还是超过1Mb，那可能会拆分到多个Key中去了。
PS：Key不能有空格和控制字符。推荐使用较短的Key，可以节省服务器内存和网络带宽。另外，最重要的一点是：Key不能重复！
④使用客户端为我们提供的各种读写API方法进行读写测试，如Set、Get、Replace、Add可以进行数据的添加和修改，而KeyExists则可以判断服务器中是否含有指定Key的数据，Delete则提供了删除指定Key的接口。这里，大家可以通过看代码就可以理解，我就不多废话了。大家可以注意到有个数据过期时间的可选参数，当数据在服务器中存储了一定时间后就会失效，这个参数相当有用。
（4）现在我们通过调试，查看这段代码的结果：
2.2 进阶的Memcached客户端操作
（1）在虚拟机中克隆已存在的Windows Server，并设置这两台服务器名称为：MemcacheServer1和MemcachedServer2，IP地址设置为：192.168.80.10与192.168.80.11，测试两台虚拟机与宿主机是否能够互相Ping通，为构建Memcached服务器集群做一个最小化的准备；
（2）既然我们有了两台Memcached服务器，那我们得试试Memcached集群啊，由于Memcached的集群是在客户端实现，所以我们只需要将服务器的IP地址和端口号加入服务器列表的string数组就可以了。于是，我们修改上面的代码：
①首先新建一个App.config文件，新增一个AppSetting项如下：一般来说，服务器的地址信息都是写在配置文件中的，为了追求标准，我们也写在配置文件里边
②将serverList重新定义：使用配置文件里边的Value；这里需要注意的是，要使用ConfigurationManager这个类，需要在引用中添加对System.Configuration这个dll的引用；
string[] serverList = ConfigurationManager.AppSettings["MemcachedServers"].Split(',');
（3）现在我们先重启Memcached1（192.168.80.10）的Memcached服务，清空已经缓存的数据内容，确保两台服务器现在都没有数据；然后，重新运行代码，再次完成代码测试，测试结果还是如下图，说明我们配置的两台Memcached集群已经配置成功。
（4）在虚拟机中使用telnet查看每台服务器具体保存了哪个Key/Value对，这里由于test3和test4均被删除或已失效，所以只需查看前两个Key/Value对：
①MemcacheServer1(192.168.80.10)：保存了第二个Key/Value对，<test2:lousie>
②MemcacheServer2(192.168.80.11)：保存了第一个Key/Value对，<test1:edisonchou>
（5）到此，我们已经完成了一个最小化的memcached集群读写测试Demo。但是，在实际的开发场景中，远不仅仅是存储一个字符串，更多的是存储一个自定义的类的实例对象。这就需要使用到序列化，下面我们来新加一个类MyObject，让其作为可序列化的对象来存储进Memcached中。注意：需要为该类加上[Serializable]的特性！
[Serializable]
public class MyObject
{
public int ID
{
get;
set;
}
public string Name
{
get;
set;
}
}
然后，在主代码中添加以下几行代码，增加对自定义对象的读写测试：
// 06.自定义对象存储
MyObject myObj = new MyObject();
myObj.ID = 12138;
myObj.Name = "爱迪生周";
memClient.Set("test5", myObj);
MyObject newMyObj = memClient.Get("test5") as MyObject;
Console.WriteLine("Hello,My ID is {0} and Name is {1}", newMyObj.ID, newMyObj.Name);
最后，运行代码，查看结果如下：
（6）怎么样，圆满完成对自定义对象的读写操作吧？现在，我们再看看这个自定义对象是存到了哪台服务器上：经查询，test5是存储到了MemcacheServer2（192.168.80.11）上。
三、回头再看Memcached数据访问模型
经过了刚刚一系列的实践操作，我们在一个最小化的由两台Windows Server搭建的Memcached集群上进行了读写操作测试。那么，我们不由得想要去看看到底Memcached是怎样进行数据访问的呢？别急，现在我们就来看看，由实践到理论，深入理解一下。
（1）添加新的键值对数据
从图中可以看出，Memcached虽然称为“分布式”缓存服务器，但服务器端并没有“分布式”功能，而是完全由客户端程序库实现的。服务端之间没有任何联系，数据存取都是通过客户端的算法实现的。当客户端要存取数据时，首先会通过算法查找自己维护的服务器哈希列表，找到对应的服务器后，再将数据存往指定服务器。例如：上图中应用程序要新增一个<'tokyo',data>的键值对，它同过set操作提交给Memcached客户端，客户端通过一定的哈希算法（比如：一般的求余函数或者强大的一致性Hash算法）从服务器列表中计算出一个要存储的服务器地址，最后将该键值对存储到计算出来的服务器里边。
（2）获取已存在的键值对数据
上图中应用程序想要获取Key为‘tokyo’（东京这么热，还要取它的值是干神马呢？）的Value，于是它向Memcached客户端提交了一个Get请求，Memcached客户端还是通过算法从服务器列表查询哪台服务器存有Key为‘tokyo’的Value（即选择刚刚Set到了哪台服务器），如果查到，则向查到的服务器请求返回Key为‘tokyo’的数据。
（3）Memcached分布式的核心—一致性Hash算法
一致性Hash算法是分布式缓存的核心理论，我也学习得不深入，也只是刚刚了解了一下，后面我有空深入学习一下，再单独写一篇博文来介绍它，并使用C#来粗略地实现一下这个算法。现在我就简单地介绍一下，其实这部分内容我之前写入了我的另一篇博文《大型网站技术架构读书笔记之网站的可伸缩架构》中，有兴趣的朋友也可以去看看这篇文章。
首先，简单的路由算法（通过使用余数Hash）无法满足业务发展时服务器扩容的需要：缓存命中率下降。例如：当3台服务器扩容至4台时，采用普通的余数Hash算法会导致大约75%（3/4）被缓存了的数据无法正确命中，随着服务器集群规模的增大，这个比例会线性地上升。那么，可以想象，当100台服务器的集群中加入一台服务器，不能命中的概率大概是99%（N/N+1），这个结果显然是无法接受的。那么，能否通过改进路由算法，使得新加入的服务器不影响大部分缓存数据的正确性呢？请看下面的一致性Hash算法。
一致性Hash算法通过一个叫做一致性Hash环的数据结构实现KEY到缓存服务器的Hash映射，如下图所示：
具体算法过程是：
①先构造一个长度为0~2^32（2的32次幂）个的整数环（又称：一致性Hash环），根据节点名称的Hash值将缓存服务器节点放置在这个Hash环中，如上图中的node1，node2等；
②根据需要缓存的数据的KEY值计算得到其Hash值，如上图中右半部分的“键”，计算其Hash值后离node2很近；
③在Hash环上顺时针查找距离这个KEY的Hash值最近的缓存服务器节点，完成KEY到服务器的Hash映射查找，如上图中离右边这个键的Hash值最近的顺时针方向的服务器节点是node2，因此这个KEY会到node2中读取数据；
当缓存服务器集群需要扩容的时候，只需要将新加入的节点名称（如node5）的Hash值放入一致性Hash环中，由于KEY总是顺时针查找距离其最近的节点，因此新加入的节点只影响整个环中的一部分。如下图中所示，添加node5后，只影响右边逆时针方向的三个Key/Value对数据，只占整个Hash环中的一小部分。
因此，我们可以与之前的普通余数Hash作对比：采用一致性Hash算法时，当3台服务器扩容到4台时，可以继续命中原有缓存数据的概率为75%，远高于普通余数Hash的25%，而且随着集群规模越大，继续命中原有缓存数据的概率也会随之增大。当100台服务器增加1台时，继续命中的概率是99%。虽然，仍有小部分数据缓存在服务器中无法被读取到，但是这个比例足够小，通过访问数据库也不会对数据库造成致命的负载压力。
四、学习小结
在本篇我首先花了大力气来介绍如何使用Memcached客户端在.Net中进行常用的基础读写操作，并通过VMWare Workstation构建了一个由两台Windows Server组成的最小化的Memcached服务器集群。其次，我通过使用C#调用Memcached客户端，将数据保存到Memcached服务器集群中，并验证了是否保存于集群中。最后，返回到Memcached的数据访问模型上，从理论到实践，再从实践返回到理论，理解Memcached的互不通信的集群模式与数据读写流程，并简单了解了一下分布式技术中最核心的算法：一致性Hash算法。
不知不觉都快1:20了，今天就到此停笔关机，洗洗睡了。后面，我会介绍在ASP.NET MVC中应用Memcached来解决登录状态的案例，也就是Session会话对象的分布式存储。如果大家觉得有用或者有兴趣，那就敬请期待了，也请麻烦点个“推荐”，让我更有动力写下去，谢谢！
参考文献
（1）传智播客马伦，《Memcached公开课》，http://bbs.itcast.cn/thread-14836-1-1.html
（2）charlee，《Memcached完全剖析》，http://kb.cnblogs.com/page/42731/
（3）小城岁月，《分布式缓存Memcached入门》，http://www.cnblogs.com/mecity/archive/2011/06/13/Memcached.html
（4）吸水的技术点点，《分布式缓存系统Memcached简介与实践》，http://www.cnblogs.com/zjneter/archive/2007/07/19/822780.html
（5）源码工作室，《揭开Socket编程的面纱》，http://goodcandle.cnblogs.com/archive/2005/12/10/294652.aspx
附件下载
（1）Memcached ClientLib：http://pan.baidu.com/s/1w9Q8I
（2）MemcachedClientDemo：http://pan.baidu.com/s/1hqrDUss
