NoSQL之一：Memcached

一、NoSQL简介

       NoSQL并不是No SQL（不再需要SQL），而是指Not Only SQL（不仅仅只有SQL）。NoSQL并不是用来替代关系型数据库的，而是在某些使用关系型数据库不合适的场景中，可以使用NoSQL数据库进行优化，而在系统中主要的、常规的数据仍然使用关系型数据库。
　　常用的NoSQL数据库有Memcached、Redis、MongoDB等，其中前两者属于键值对数据库，后者属于文档数据库。它们都有各自的优缺点以及使用场景。

二、Memcached介绍与安装

       Memcached是一个专门用来做缓存的数据库，缓存的数据都是在内存当中，当数据库重启之后，数据也就都丢失了。其相当于一个Dictionary键值对集合，根据Key值取Value值。

　　1、Memcached安装

      　　 从网上下载Memcached-win64-1.4.4-14.zip安装包。解压后，通过管理员权限执行如下命令，可将其安装成服务：

G:MemcachedAfterInstall>memcached.exe -d install

 　　2、Memcached可视化工具

　　　　TreeNMS是一款Redis、Memcached可视化客户端工具，实现基于Web方式对Redis、Memcached数据库进行管理、维护。可通过如下链接http://www.treesoft.cn/dms.html进行下载。

　　　　下图即该工具的使用界面：

　　3、Memcached优缺点

　　　　优点：

　　　　1）多线程，可以充分利用CPU多核的处理性能；

　　　　2）做缓存性能高；

　　　　缺点：

　　　　1）只能保存键值对数据，键值只能是字符串，如果有对象数据只能自己序列化Json字符串；

　　　　2）数据只保存在内存中，重启后会丢失；

　　　　3）Key最大长度250个字符，Value最长1M；

 三、在.Net Core中的使用

　　1、组件包的安装与使用

　　　　在.Net Core项目中调用Memcached数据库的资源，可以使用EnyimMemcachedCore客户端组件包。

　　　　通过该组件向Memcached数据库存入数据有三种模式，分别如下：

　　　　　　1）Set：存在则覆盖，不存在则新增；

　　　　　　2）Replace：如果存在则覆盖，并且返回true；如果不存在则不处理，并且返回false；

　　　　　　3）Add：如果不存在则新增，并且返回true；如果存在则不处理，并且返回false；

　　　　故，根据以上可知，如果没有特殊要求一般用Set即可。

　　　　注意：Memcached数据库中的key的长度最高为250个字符，value的值最大为1M。

　　2、案例演示

　　　　为了演示方便，创建了一个基于.Net Core3.1版本的WPF项目，界面如下：

　　　　1）存储数据、读取数据 

public partial class MainWindow : Window
{
　　private readonly MemcachedClient _memcachedClient;
　　private static readonly ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();
　　public MainWindow()
　　{
　　　　InitializeComponent();
　　　　var options = new MemcachedClientOptions();
　　　　options.AddServer("127.0.0.1", 11211);
　　　　_memcachedClient = new MemcachedClient(_loggerFactory, new MemcachedClientConfiguration(_loggerFactory, options));
　　}
}
private void btnStorage_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
　　var result = _memcachedClient.Store(StoreMode.Set, "supersnow", "yao");
　　MessageBox.Show($"保存成功？{result}");
}

private void btnRead_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
　　var result = _memcachedClient.Get("supersnow");
　　MessageBox.Show($"读取结果：{result}");
}  

 　　　　2）存储类数据、读取类数据

private async void btnStorage_Class_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
　　var person = new Person
　　{
　　　　Name = "SuperSnow",
　　　　Age = 25
　　};
　　var result = await _memcachedClient.StoreAsync(StoreMode.Set, "person_key", person, TimeSpan.FromSeconds(3600));
　　MessageBox.Show($"保存Person成功？{result}");
}

private async void btnRead_Class_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
　　var result = await _memcachedClient.GetAsync("person_key");
　　if (result.Value == null)
　　　　MessageBox.Show("数据已经失效");
　　else
　　　　MessageBox.Show($"读取Person结果：{result.Value.Name}:{result.Value.Age}");
}
public class Person
{
　　public string Name { get; set; }
　　public int Age { get; set; }
}  

 　　　　3）读取数据异常

　　　　对于读取数据失败时，返回结果为false。但是，此时并不知道失败的原因是什么，可以通过如下方法获取失败原因：

 private void btnRead_Exception_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
 {
    var result = _memcachedClient.ExecuteRemove("abc");
    MessageBox.Show($"结果：{result.Success}，Message：{result.Message}，Exception：{result.Exception}，StatusCode：{result.StatusCode}，InnerResult：{result.InnerResult.Message}");
 } 

 　　　　4）Memcached Cas操作

　　　　Cas操作类似于关系型数据库中的“乐观锁”，查询的时候会顺带查出一个Cas值，在写入的时候会带着这个Cas值，如果发现Cas值改变了，则说明已经有其他操作提前修改了相应的值。本质上来说Cas就是用来解决并发问题，通过读取一个值，然后做一些处理或判断，然后再写回到数据库中，这种操作有可能产生并发问题。

private CasResult casResult;
 private void btnA_Read_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
 {
     casResult = _memcachedClient.GetWithCas("person_key");
     if (casResult.Result != null)
         MessageBox.Show($"读取Person结果：{casResult.Result.Name}:{casResult.Result.Age}");
     else
         MessageBox.Show("没有结果");
 }

 private void btnB_Save_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
 {
     var result = _memcachedClient.GetWithCas("person_key");
     if (result.Result.Age >= 25)
         result.Result.Age++;
     var tag = _memcachedClient.Cas(StoreMode.Set, "person_key", result.Result, result.Cas);
     if (tag.Result)
         MessageBox.Show("修改成功");
     else
         MessageBox.Show("修改失败");
 }

 private void btnA_Save_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
 {
     if (casResult.Result.Age >= 25)
         casResult.Result.Age++;
     else
         casResult.Result.Age++;
     var tag = _memcachedClient.Cas(StoreMode.Set, "person_key", casResult.Result, casResult.Cas);
     if (tag.Result)
         MessageBox.Show("修改成功");
     else
         MessageBox.Show("修改失败");
 }

 　　　　5）Memcached集群

　　　　Memcached重启之后，在短时间内大量的请求会涌入数据库，给数据库造成巨大压力，解决此类问题的方法就是使用集群，即使用多Memcached服务器提供服务。

　　　　除此之外，Memcached还有可能面临“雪崩”问题，如果所有缓存设置过期时间是一样的，或者失效时间在一个短距离的范围内。那么每隔一段时间就会造成一次数据库访问的高峰。此类问题的解决方法就是将不同缓存的缓存失效时间设置成不一样，如对失效时间加上随机数。

　　　　Memcached集群的节点之间不用进行通讯和数据同步，只需要在多个服务器上启动多个Memcached数据库即可。客户端决定了将数据写入不同的Memcached实例，不用做主从复制操作。

　　　　节点定位算法有很多种，最常用的就是Ketama算法，该算法根据Key算出一个hash值，然后根据hash值再得出服务器。如下例所示：

private readonly MemcachedClient _memcachedClient;
private static readonly ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();
public MainWindow()
{
    InitializeComponent();

    var options = new MemcachedClientOptions();
    options.AddServer("127.0.0.1", 11211);
    options.AddServer("127.0.0.1", 11212);
    options.NodeLocatorFactory = new DefaultNodeLocatorFactory(11211);
    _memcachedClient = new MemcachedClient(_loggerFactory, new MemcachedClientConfiguration(_loggerFactory, options));
}
private void btnA_Save_Cluster_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    var person = new Person
    {
        Name = "张三",
        Age = 25
    };
    var result =  _memcachedClient.Store(StoreMode.Set, "1", person);
    MessageBox.Show($"保存Person成功？{result}");
}

private void btnA_Read_Cluster_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    var result = _memcachedClient.Get("1");
    if (result == null)
        MessageBox.Show("数据已经失效");
    else
        MessageBox.Show($"读取Person结果：{result.Name}:{result.Age}");
}

private void btnB_Save_Cluster_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    var person = new Person
    {
        Name = "李四",
        Age = 23
    };
    var result = _memcachedClient.Store(StoreMode.Set, "2", person);
    MessageBox.Show($"保存Person成功？{result}");
}

private void btnB_Read_Cluster_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    var result = _memcachedClient.Get("2");
    if (result == null)
        MessageBox.Show("数据已经失效");
    else
        MessageBox.Show($"读取Person结果：{result.Name}:{result.Age}");
} 

　　　　 通过如下命令分别启动两个Memcached实例：

G:MemcachedAfterInstall>memcached.exe -p 11212
G:MemcachedAfterInstall>memcached.exe -p 11211

　　　　在TreeNMS系统中配置两个数据库连接：

　　　　由于Key=1和Key=2的hash值不同，所以缓存数据分别存在于两个Memcached实例中，如下图所示：