分布式緩存Redis與Memcached的區別

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Redis作者提供的8各方面：

1.性能；2.內存使用效率；3.數據類型支持；4.數據備份和恢復；5.數據存儲方案；6.底層C語言內存管理方式；7.集群和分布式；8線程模型

Redis的作者Salvatore Sanfilippo曾經對這兩種基于內存的數據存儲系統進行過比較，總體來看還是比較客觀的。
一、性能

由于Redis只使用單核，而Memcached可以使用多核，所以平均每一個核上Redis在存儲小數據時比Memcached性能更高。而在100k以上的數據時，Memcached性能要高于Redis，雖然Redis最近也在存儲大數據的性能上進行優化，但是比起Memcached，還是稍有遜色。
二、內存使用效率

使用簡單的key-value存儲的話，Memcached的內存利用率更高，而如果Redis采用hash結構來做key-value存儲，由于其組合式的壓縮，其內存利用率會高于Memcached。
三、Redis支持服務器端的數據操作

Redis相比Memcached來說，擁有更多的數據結構并支持更豐富的數據操作，通常在Memcached里，你需要將數據拿到客戶端來進行類似的修改再set回去，序列化再反序列化，這大大增加了網絡IO的次數和數據體積。在Redis中，這些復雜的操作通常和一般的GET/SET一樣高效。所以，如果需要緩存能夠支持更復雜的結構和操作，那么Redis會是不錯的選擇。

與Memcached僅支持簡單的key-value結構的數據記錄不同，Redis支持的數據類型要豐富得多。最為常用的數據類型主要由五種：String、Hash、List、Set和Sorted Set。Redis內部使用一個redisObject對象來表示所有的key和value。
四、數據備份恢復

memcached掛掉后，數據不可恢復；redis數據丟失后可以通過aof恢復，Redis支持數據的備份，即master-slave主從模式的數據備份。
五、數據存儲

Redis和Memcached都是將數據存放在內存中，都是內存數據庫。不過memcached還可用于緩存其他東西，例如圖片、視頻等等。memcached把數據全部存在內存之中，斷電后會掛掉，數據不能超過內存大小；redis有部份存在硬盤上，這樣能保證數據的持久性，支持數據的持久化（RDB、AOF），而Memcached不支持持久化。同時Redis并不是所有的數據都一直存儲在內存中的，當物理內存用完時，Redis可以將一些很久沒用到的value交換到磁盤，但memcached超過內存比例會抹掉前面的數據。
六、內存管理機制

對于像Redis和Memcached這種基于內存的數據庫系統來說，內存管理的效率高低是影響系統性能的關鍵因素。傳統C語言中的malloc/free函數是最常用的分配和釋放內存的方法，但是這種方法存在著很大的缺陷：首先，對于開發人員來說不匹配的malloc和free容易造成內存泄露；其次頻繁調用會造成大量內存碎片無法回收重新利用，降低內存利用率；最后作為系統調用，其系統開銷遠遠大于一般函數調用。所以，為了提高內存的管理效率，高效的內存管理方案都不會直接使用malloc/free調用。

Memcached默認使用Slab Allocation機制管理內存，其主要思想是按照預先規定的大小，將分配的內存分割成特定長度的塊以存儲相應長度的key-value數據記錄，以完全解決內存碎片問題。Slab Allocation機制只為存儲外部數據而設計，也就是說所有的key-value數據都存儲在Slab Allocation系統里，而Memcached的其它內存請求則通過普通的malloc/free來申請，因為這些請求的數量和頻率決定了它們不會對整個系統的性能造成影響。

如圖所示，它首先從操作系統申請一大塊內存，并將其分割成各種尺寸的塊Chunk，并把尺寸相同的塊分成組Slab Class。其中，Chunk就是用來存儲key-value數據的最小單位。每個Slab Class的大小，可以在Memcached啟動的時候通過制定Growth Factor來控制。假定圖中Growth Factor的取值為1.25，如果第一組Chunk的大小為88個字節，第二組Chunk的大小就為112個字節，依此類推。

當Memcached接收到客戶端發送過來的數據時首先會根據收到數據的大小選擇一個最合適的Slab Class，然后通過查詢Memcached保存著的該Slab Class內空閑Chunk的列表就可以找到一個可用于存儲數據的Chunk。當一條數據庫過期或者丟棄時，該記錄所占用的Chunk就可以回收，重新添加到空閑列表中。

從以上過程我們可以看出Memcached的內存管理制效率高，而且不會造成內存碎片，但是它最大的缺點就是會導致空間浪費。因為每個Chunk都分配了特定長度的內存空間，所以變長數據無法充分利用這些空間。比如將100個字節的數據緩存到128個字節的Chunk中，剩余的28個字節就浪費掉了。Memcached主要的cache機制是LRU（最近最少使用Least Recently Used）算法+超時失效。

Redis的內存管理主要通過源碼中zmalloc.h和zmalloc.c兩個文件來實現的。Redis為了方便內存的管理，在分配一塊內存之后，會將這塊內存的大小存入內存塊的頭部。

如圖所示，real_ptr是redis調用malloc后返回的指針。redis將內存塊的大小size存入頭部，size所占據的內存大小是已知的，為size_t類型的長度，然后返回ret_ptr。當需要釋放內存的時候，ret_ptr被傳給內存管理程序。通過ret_ptr，程序可以很容易的算出real_ptr的值，然后將real_ptr傳給free釋放內存。

Redis通過定義一個數組來記錄所有的內存分配情況，這個數組的長度為ZMALLOC_MAX_ALLOC_STAT。數組的每一個元素代表當前程序所分配的內存塊的個數，且內存塊的大小為該元素的下標。在源碼中，這個數組為zmalloc_allocations。zmalloc_allocations[16]代表已經分配的長度為16bytes的內存塊的個數。zmalloc.c中有一個靜態變量used_memory用來記錄當前分配的內存總大小。所以，總的來看，Redis采用的是包裝的mallc/free，相較于Memcached的內存管理方法來說，要簡單很多。
七、集群、分布式存儲

Memcached是全內存的數據緩沖系統，Redis雖然支持數據的持久化，但是全內存畢竟才是其高性能的本質。作為基于內存的存儲系統來說，機器物理內存的大小就是系統能夠容納的最大數據量。如果需要處理的數據量超過了單臺機器的物理內存大小，就需要構建分布式集群來擴展存儲能力。

Memcached本身并不支持分布式，因此只能在客戶端通過像一致性哈希這樣的分布式算法來實現Memcached的分布式存儲，關于分布式一致性哈希算法見總結：分布式一致性hash算法。當客戶端向Memcached集群發送數據之前，首先會通過內置的分布式算法計算出該條數據的目標節點，然后數據會直接發送到該節點上存儲。但客戶端查詢數據時，同樣要計算出查詢數據所在的節點，然后直接向該節點發送查詢請求以獲取數據。

相較于Memcached只能采用客戶端實現分布式存儲，Redis更偏向于在服務器端構建分布式存儲，但沒有采用一致性哈希，關于Redis集群分析見總結：分布式緩存Redis之cluster集群。最新版本的Redis已經支持了分布式存儲功能。Redis Cluster是一個實現了分布式且允許單點故障的Redis高級版本，它沒有中心節點，具有線性可伸縮的功能。為了保證單點故障下的數據可用性，Redis Cluster引入了Master節點和Slave節點。在Redis Cluster中，每個Master節點都會有對應的兩個用于冗余的Slave節點。這樣在整個集群中，任意兩個節點的宕機都不會導致數據的不可用。當Master節點退出后，集群會自動選擇一個Slave節點成為新的Master節點。
八、Memcache支持多核多線程，Redis單線程操作

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