Memcached: быстрое кеширование данных — что это за сервис?

Memcached — это высокопроизводительная распределенная система кеширования данных в оперативной памяти. Если говорить проще, это очень быстрый ключ-значение словарь, который хранится в RAM (оперативной памяти) и используется для ускорения веб-приложений за счет снижения нагрузки на базу данных.

Простая аналогия

Представьте себе официанта в ресторане (ваше веб-приложение) и повара (базу данных).

• Каждый раз, когда клиент просит сложное блюдо, официанту приходится бегать на кухню и ждать, пока повар его приготовит (запрос к базе данных). Это долго.
• Но если официант будет хранить популярные блюда на своем подносе (в Memcached), он сможет мгновенно подать их клиенту, не обращаясь к повару.

Memcached — это и есть такой «поднос» для вашего приложения.

Основные принципы работы

• Хранилище «ключ-значение» (Key-Value Store): Данные сохраняются и извлекаются по уникальному ключу. Нет сложных запросов, как в SQL (SELECT … WHERE). Просто «дай мне значение по ключу X».
• Данные в оперативной памяти (In-Memory): Все данные хранятся в RAM. Это делает доступ к ним невероятно быстрым (микросекунды), но волатильным. При перезагрузке сервера или завершении работы Memcached все данные теряются.
• Распределенность: Memcached изначально спроектирован как распределенная система. Вы можете запустить несколько серверов Memcached, и они будут работать как единый пул. Клиент (ваше приложение) равномерно распределяет данные между серверами.
• Простота: У Memcached очень простой API. Основные операции: set(key, value) — сохранить значение по ключу, get(key) — получить значение по ключу, delete(key) — удалить значение, add, replace, incr, decr и др.
• Срок жизни (Expiration): Для каждого значения можно установить время жизни (TTL). По его истечении данные автоматически удаляются из кеша.

Для чего используется?

Самая распространенная задача — кэширование результатов запросов к базе данных.

Пример на псевдокоде:
Допустим, пользователь заходит на страницу своего профиля.

// 1. Пытаемся взять данные из кеша (Memcached)
$user_data = $memcached->get('user_profile_' . $user_id);

// 2. Если в кеше есть данные (попадание в кеш - "cache hit")
if ($user_data) {
    return $user_data; // Мгновенно возвращаем пользователю
}

// 3. Если в кеше данных нет (промах кеша - "cache miss")
// Идем в медленную базу данных
$user_data = $database->query('SELECT * FROM users WHERE id = ' . $user_id);

// 4. Сохраняем результат запроса в кеш на 10 минут (600 секунд)
// чтобы следующий раз не обращаться к БД
$memcached->set('user_profile_' . $user_id, $user_data, 600);

// 5. Возвращаем данные пользователю
return $user_data;

Другие варианты использования:

• Кеширование результатов сложных вычислений.
• Хранение сессий пользователей.
• Кеширование фрагментов HTML-страниц.
• Счетчики, блокировки и другие временные данные.

Плюсы Memcached

• Очень высокая скорость: Доступ к данным в RAM.
• Масштабируемость: Легко добавить новый сервер в пул.
• Простота: Легко установить, настроить и использовать.
• Стабильность: Проверенная временем, надежная система.

Минусы / Ограничения

• Данные не сохраняются на диск: Все данные теряются при перезапуске. Memcached — не база данных!
• Ограниченный объем памяти: Размер данных ограничен объемом RAM серверов.
• Нет сложных запросов: Нельзя сделать выборку по условию, только по точному ключу.
• Нет репликации: Нет встроенной поддержки репликации данных между узлами (в отличие от, например, Redis).

Memcached vs Redis

Это два самых популярных решения для кеширования. Часто возникает вопрос, что выбрать.

Итог: Memcached — отличный выбор, когда вам нужен простой, супербыстрый и распределенный кеш в памяти. Если же вам нужны более сложные структуры данных, сохранность данных или дополнительные функции (вроде очередей), то лучше посмотреть в сторону Redis.

Чем больше памяти в Memcached тем лучше?

Прямолинейный ответ — нет, для Memcached правило «чем больше памяти, тем лучше» не всегда работает и может даже навредить.

Давайте разберемся, почему.

1. Проблема с управлением памятью (самая главная)

Memcached не хранит все данные в одном большом «мешке». Внутри он разбивает память на «страницы» (slabs). Каждая страница предназначена для объектов определенного размера.

• Как это работает? Когда вы сохраняете объект размером 100 байт, Memcached помещает его в страницу, предназначенную для объектов ~100 байт. Когда вы сохраняете объект в 1 КБ — он попадает в другую страницу, и так далее.
• В чем проблема? Допустим, вы выделили Memcached 64 МБ памяти. Если ваше приложение в основном хранит маленькие объекты (например, 100 байт), то вся нагрузка ляжет на страницы для маленьких объектов. Страницы для больших объектов останутся практически пустыми, но их память будет зарезервирована и простаивать. Это называется фрагментация slab’ов.

Результат: Вы видите, что в Memcached «свободно» 40 МБ, но новые объекты не помещаются и вытесняют старые, потому что свободной памяти нет в нужной странице (slab class).

2. Низкая эффективность использования памяти

Memcached — это кэш. Его главная задача — быть быстрым, а не хранить данные эффективно.

• В отличие от баз данных, он не использует сложные алгоритмы сжатия.
• Данные хранятся в том виде, в котором вы их отдали.

Если вы выделите ему 4 ГБ, он с радостью займет их под «просто так лежащие» данные, которые можно было бы с тем же успехом хранить в  2 ГБ, если правильно настроить политику кэширования и TTL (время жизни).

3. Проблема с восстановлением

Memcached хранит данные только в оперативной памяти.

• Представьте: У вас сервер с 128 ГБ RAM для Memcached. Он заполнен на 100 ГБ данными.
• Происходит перезагрузка сервера (апдейт, авария и т.д.).
• Что будет? Все 100 ГБ данных мгновенно исчезнут.

Теперь ваше приложение после запуска столкнется с лавинообразным шквалом запросов к базе данных (эффект «cache stampede»), потому что кэш абсолютно пуст. База данных может не выдержать такой нагрузки и «лечь», что приведет к простою всего приложения.

Чем больше памяти было занято в Memcached, тем болезненнее будет его перезапуск.

4. «Мусорные» данные вытесняют «полезные»

С большим объемом памяти часто приходит соблазн кэшировать все подряд на очень долгое время. В кэше могут залежаться устаревшие или редко используемые данные, в то время как более актуальным и горячим данным может не хватить места в своих slab-классах.

Что лучше: 128 Мегабайт, 256 Мегабайт или 1024 Мегабайт Memcached ?

Однозначного ответа «что лучше» без контекста не существует. Лучший вариант зависит исключительно от вашей конкретной задачи.

Давайте разберем, в каких сценариях какой объем будет оптимальным.

Краткий ответ

• 128 МБ: Для маленьких сайтов, тестовых сред или кеша с очень небольшим количеством данных.
• 256 МБ: Наиболее разумный стартовый выбор для небольших проектов и продакшена с низкой нагрузкой.
• 1024 МБ (1 ГБ): Для проектов со средней нагрузкой, где нужно закешировать значительный объем данных.

Детальное сравнение и рекомендации

Давайте представим, что у нас есть три стакана разного размера, и мы выбираем, какой взять в поход.

128 МБ (Маленький стакан)

Плюсы:

• Очень экономно расходует оперативную память. Идеально для сервера с малым объемом RAM (например, 1-2 ГБ).
• Быстро перезаполняется с нуля в случае перезапуска.

Минусы:

• Очень быстро заполнится. Кэш будет постоянно перезаписываться (высокий eviction rate).
• Низкий Hit Ratio. Данные будут часто отсутствовать в кеше, что приведет к постоянным запросам к базе данных.

Кому подходит:

• Персональный блог или визитка с посещаемостью 100 человек в день.
• Локальная тестовая среда для разработки.
• Ситуация, когда на сервере критически мало свободной оперативной памяти.

Вердикт: Слишком мало для большинства реальных задач. Риск в том, что вы не получите никакого положительного эффекта от кеширования, потому что данные не будут помещаться в кэш.

256 МБ (Средний стакан)

Плюсы:

• Хороший баланс между расходом памяти и эффективностью. Позволяет закешировать все ключевые данные небольшого приложения.
• Разумный стартовый объем для любого нового проекта, который выводится в продакшен.
• Достаточно места, чтобы удерживать «горячие» данные и обеспечить приличный hit ratio.

Минусы:

• Для сайта со средней посещаемостью и разнообразным контентом может начать не хватать.

Кому подходит:

• Небольшой интернет-магазин.
• Корпоративный сайт.
• Новостной портал с скромной аудиторией.
• Идеальный вариант «по умолчанию», если вы не знаете, с чего начать.

Вердикт: Наиболее безопасный и разумный стартовый выбор. Лучше начать с 256 МБ, чем со 128 МБ.

1024 МБ (1 ГБ) (Большой стакан)

Плюсы:

• Позволяет закешировать ОЧЕНЬ много данных. Вы сможете хранить в RAM не только результаты запросов, но и целые страницы (фрагменты HTML), сессии пользователей, тяжелые результаты вычислений.
• Очень высокий Hit Ratio. Подавляющее большинство запросов будет обслуживаться из быстрой памяти, а не из базы данных.
• Снижает нагрузку на базу данных в разы.

Минусы:

• Занимает существенный объем оперативной памяти (1 ГБ). На сервере с 2 ГБ RAM это уже половина всех ресурсов.
• В случае перезапуска Memcached потребуется значительное время и создаст нагрузку на БД, чтобы снова заполнить этот большой кэш.

Кому подходит:

• Интернет-магазин со средней посещаемостью.
• Социальная сеть / форум с активными пользователями.
• Любой проект, где вы уже видите, что 256 МБ не хватает (высокий показатель evictions в статистике).

Вердикт: Отличный выбор для проектов, которые переросли стартовые объемы и нуждаются в серьезном кешировании.

Практическое руководство: Как выбрать?

Вот пошаговый алгоритм:

1. Начните с 256 МБ. Это золотая середина.
2. Настройте мониторинг. Следите за ключевыми метриками Memcached:
   • evicted: Число удаленных ключей из-за нехватки памяти. Если оно быстро растет — памяти мало.
   • hit ratio: get_hits / (get_hits + get_misses). Цель — 95% и выше. Если ниже 80-90%, нужно больше памяти или пересмотреть стратегию кеширования.
   • bytes: Сколько памяти фактически занято.
3. Принимайте решение на основе данных:
   • Если evicted > 0 и hit ratio < 90%, а bytes постоянно близок к 256 МБ — увеличивайте объем (до 512 МБ или 1 ГБ).
   • Если bytes стабильно занимает лишь 50-100 МБ, а hit ratio высокий, то можно даже уменьшить объем до 128 МБ, чтобы освободить RAM для других процессов.

Сравнительная таблица

Если у вас есть хоть какая-то нагрузка и вы не хотите, чтобы кеш работал вхолостую, 256 МБ — это минимальный адекватный вариант для сайта. 128 МБ почти всегда слишком мало. 1 ГБ — это уже следующий шаг, когда вы уверены, что 256 МБ вам не хватает.