解释Memcached 是原子的吗？

Memcached面试考题 0 30

参考回答

Memcached 的部分操作是原子的，但并非所有操作都具备原子性。

原子操作：
Memcached 对于以下操作提供原子性保障：
1. 计数操作：incr 和 decr（递增与递减操作）。
2. 键值操作：set、add、replace 等单次键值写入和更新操作。
在这些情况下，操作是线程安全的，即使有多个客户端同时操作相同的键，也不会出现数据竞争或不一致的情况。
非原子操作：
复杂的多步骤操作（如 get 后进行修改，再 set 数据）不是原子的。在高并发环境下，这种操作可能导致数据不一致。

详细讲解与拓展

1. Memcached 原子操作的实现

Memcached 是多线程架构，为了保证原子性，它对某些操作采用了内部的锁机制或CAS（Compare-And-Swap）机制：
1. incr 和 decr：
– 递增和递减操作直接在服务端处理，修改值的过程中，Memcached 确保数据的线程安全。

set、add 和 replace：
- 这些操作是覆盖式的，也就是每次操作直接覆盖旧值，无需关心其当前状态，因此是原子的。

2. 非原子操作的问题

当操作需要多步骤完成时，可能会因为高并发导致数据竞争。例如：
1. 客户端 A 执行 get，获取到值 X。
2. 客户端 B 执行 set，将值改为 Y。
3. 客户端 A 再执行 set，覆盖了客户端 B 的更改，导致数据不一致。

这种场景下，Memcached 无法保障原子性。

3. 使用 CAS 解决非原子问题

为了应对非原子操作，Memcached 提供了 CAS（Compare-And-Swap）机制：
– CAS 操作会在 get 时返回一个唯一的 CAS 标识符。
– 客户端在执行 set 时，需要提供 CAS 标识符，Memcached 会检查数据是否被其他客户端修改过。
– 如果 CAS 标识符匹配，set 操作成功；否则返回错误，提示数据已被修改。

CAS 示例：

get myKey
VALUE myKey 0 5 1
Hello
END

cas myKey 0 300 5 1
World
STORED

其中 1 是 CAS 标识符。如果数据在 get 和 cas 之间被修改，操作会失败。

4. 多线程原子性保障

Memcached 是多线程设计，它通过以下机制实现原子性保障：
– 使用全局锁或细粒度锁，确保关键操作的线程安全。
– 针对每个 key 的独立锁，避免不必要的竞争，提升并发性能。

举例说明

场景 1：使用原子操作 incr 和 decr。

set counter 0 300 1
1
incr counter 5
6
decr counter 2
4

即使多个客户端同时对 counter 进行递增或递减，最终的结果也是一致的。

场景 2：非原子操作导致数据竞争。
1. 客户端 A 获取到 myKey 的值为 Hello。
2. 客户端 B 修改 myKey 为 World。
3. 客户端 A 将 myKey 再次设置为 Hi，覆盖了客户端 B 的更新。

解决方法是使用 CAS：

get myKey
VALUE myKey 0 5 2
Hello
END

cas myKey 0 300 5 2
Hi
STORED

总结

Memcached 的部分操作是原子的，如 set、add、replace 和计数操作（incr、decr）。对于复杂的多步骤操作，原子性无法保证，但可以通过 CAS 机制避免数据竞争问题。在高并发场景中，正确理解 Memcached 的原子性特性并选择合适的机制，是确保数据一致性的关键。