Key/Value之王Memcached初探：三、Memcached解决Session的分布式存储场景的应用
发表于2016-04-17
一、高可用的Session服务器场景简介
1、应用服务器的无状态特性
应用层服务器（这里一般指Web服务器）处理网站应用的业务逻辑，应用的一个最显著的特点是：应用的无状态性。
PS：提到无状态特性，不得不说下Http协议。我们常常听到说，Http是一个无状态协议，同一个会话的连续两个请求互相不了解，他们由最新实例化的环境进行解析，除了应用本身可能已经存储在全局对象中的所有信息外，该环境不保存与会话有关的任何信息。之所以我们在使用ASP.NET WebForm开发中会感觉不到Http的无状态特性，完全是因为Microsoft帮我们实现了ViewState，它是ASP.NET WebForm中保存页面信息的基本单位，本质是一个HTML中的隐藏域，回调时会将这个隐藏域中的数据提交到服务器端。
在很多场景中，用户都需要和我们的网站系统进行多次的信息交互，这时就需要一种解决方案来克服无状态特性所带来的困境。还好，在巨人的肩膀上，我们已经有了很好的解决方案，那就是浏览器端的Cookie和服务器端的Session。在一般的单机开发中（这里一般是指只有一台Web服务器的情况），服务器端我们通常使用Session来存储用户登录状态（一般是一个自定义对象实例），在多数的管理信息系统开发中（毕竟内部系统用户量不多，一台Web服务器既提供Web服务又存储Session对象内存还算是够用的）这是很常见的。
但是，在大用户量下，单机版的Session就会显得效率低下，甚至会拖累Web服务器的性能。这是因为：每个用户的Http请求发到服务器端后，每台Web服务器的服务器软件（例如：IIS、Tomcat等）都会为该请求创建一个线程来进行处理和响应，但是一台服务器同一时间可以接收的请求数毕竟是有限的（这个根据服务器的配置而定，例如CPU中i3、i5和i7类型分别可以创建的线程数都各不相同），当某个时间段出现高并发请求数的时候（比如：网购秒杀系统中经常同一时间会出现海量的并发数），那这台应用服务器将会接收前所未有的请求负载，最终可能会因为承受不了高负载而导致宕机，网站不得不停止服务。
这时，又想起了那句话：当一头牛拉不动车的时候，不要去寻找一头更强壮的牛，而是用两头牛来拉车。于是，我们可以采用服务器集群的技术来对Web服务器进行改进，增加N台Web服务器部署相同的Web应用构成Web服务器集群来对外提供服务，通过负载均衡设备或软件将海量的并发请求数平均地分摊到每台Web服务器，例如：假设某系统在促销活动期间同一时刻涌入了10万个请求，而服务器集群中有5台Web服务器同时提供服务，这时负载均衡设备就将这个10万请求通过某种算法较为均衡地分配给其中的Web服务器，平均下来每台服务器最多就只承担2万个请求。
通过服务器集群，已经较好地解决了请求负载问题，这时新的问题又来了：由于Session默认是属于进程内（InProc）的，也就是说它是存储在Web服务器的内存里边的。当构建好集群之后，用户的Session会建立在负载均衡设备所分配的其中一台Web服务器里边。但是当用户下一次访问或者访问系统中的其他子系统（比如：我首先在百度百科进行登录了，然后访问百度贴吧），由于Session会话还存储在上一次提供服务的Web服务器里边，系统校验规则（现在这台Web服务器里边检测到没有该用户的Session）会造成用户的重复登录（比如：都是在百度的网页，它却让你登录好几次，你爽吗？很明显，不爽吧）。这时，就需要我们解决Web服务器集群的Session管理，下面我们就来看看如何进行Web服务器集群的Session管理。
2、应用服务器集群的Session管理
我们现在来看看在集群环境中，Session管理的几种常见手段：
· Session复制：该方案简单易行，集群中的几台服务器之间同步Session对象，任何一台服务器宕机都不会导致Session对象的丢失，服务器也只需要从本机获取即可。但是，该方案只适合集群规模较小的情况下。当规模较大时，大量的Session复制操作会占用服务器和网络的大量资源，系统不堪重负。
· Session绑定：利用负载均衡的源地址Hash算法，总是将源于同一IP地址的请求分发到同一台服务器上。这样的话，在整个会话期间，用户所有的请求都在同一台服务器上进行处理，即Session绑定在某台特定服务器上，保证Session总能在这台服务器上获取。（这种方案又叫做会话粘滞）。
但是，这种方案不符合高可用的需求。因为一旦某台服务器宕机，那么该机器上得Session也就不复存在了，用户请求切换到其他机器后因为没有Session而无法完成业务处理。因此，很少有网站采用此方案进行Session管理。
· Cookie记录Session：利用浏览器支持的Cookie记录Session简单易行，可用性高，并且支持服务器的线性伸缩，因此，许多网站都或多或少地使用了Cookie来记录Session。但是Cookie记录Session有缺点：比如受Cookie大小限制、每次请求响应都要传输Cookie影响性能、用户关闭了Cookie会造成访问不正常等。
· Session服务器：利用独立部署的Session服务器（集群）统一管理Session，应用服务器每次读写Session时，都访问Session服务器。这种方案实际上是将应用服务器的状态分离，分为无状态的应用服务器和有状态的Session服务器。
从上面的几种方式来看，各有利弊，但Session服务器是最符合高可用需求的方案，也是企业中经常用到的方案。那么，对于有状态的Session服务器，一种较简单的方法是利用分布式缓存（如Memcached、Redis等，有关Redis的简单介绍可以阅读我的博文：NoSQL初探之人人都爱Redis）、数据库等，在这些产品的基础上进行封装，使其符合Session的存储和访问要求。综合上述介绍，我们今天就采用Memcached来构建我们的Session服务器，解决Web服务器集群的Session的共享访问。
PS：为什么要采用分布式缓存方案而不采用数据库来存储Session？这个就得要分析一下数据访问的性能瓶颈了，一般来说，磁盘IO读写的速度是最慢的，因为数据库数据其实是存储在文件中的，虽然目前大多数的数据库都采用了B+树结构，读取一条数据最多都还是需要4次的数据读写（三次磁盘访问获得数据索引及行ID，一次数据文件读操作，终于知道数据库操作多麻烦了）。而分布式缓存例如Memcached是以Key/Value这种简单的形式存储在服务器的内存里边的，内存的随机读写速度是完爆磁盘IO的，因此内网+内存的双内模式是比较完美的方案。
磁盘又分为两种类型：
· 机械硬盘：通过马达驱动磁头臂，带动磁头到指定的磁盘位置访问数据。它能够实现快速顺序读写，慢速随机读写。
· 固态硬盘（又称SSD）：无机械装置，数据存储在可持久记忆的硅晶体上，因此可以像内存一样快速随机访问。
在目前的网站应用中，大部分应用访问数据都是随机的，这种情况下SSD具有更好的性能表现，但是性价比有待提升（蛮贵的，么么嗒）。
二、Memcached实现Session的分布式存储
1、 案例总体预览
· 模拟的登录案例场景
假设我们有一个基于ASP.NET的信息系统，这个系统使用一个统一的系统登录页面进行用户登录，登陆后默认跳转到一个用户中心主页，并显示：欢迎您，{用户账号名称}。
· 系统登录页面效果：
· 用户主页效果：
· 模拟的技术体系选择
ASP.Net MVC+EF Code First+MySQL+Memcached
2、初始准备工作
· 新建一个ASP.NET MVC4的空项目，视图引擎选择为“Razor”即可；
· 在项目中新建一个文件夹，取名为“Lib”，主要存放一些必要的DLL文件；
· 在项目中添加对这几个DLL的引用，注意这里引入EntityFramework.dll是为了支持后面的CodeFirst开发方式，EF版本必须在4.1及以上。PS：你也可以通过Package Manager来安装EntityFramework。到此，我们的准备工作就做好了，接下来就可以开始正式的工作了。
３、借助EF CodeFirst生成MySQL数据库
首先，EF是一种ORM（Object-relational mapping）框架，它能把我们在编程时使用对象映射到底层的数据库结构。ORM框架负责把从数据库传回的记录集转换为对象，也可以依据对象当前所处的具体状态生成相应的SQL命令发给数据库，完成数据的存取工作（常见的数据存取操作可简称为CRUD：Create、Read、Update、Delete）。
EF给数据库应用系统开发带来了更高的效率，使用它能更容易地写出易维护、易扩展的系统，而且性能虽然比不上ADO.NET，但也足够好，能满足大多数开发场景的需求。与ADO.NET不一样，EF的抽象层次较高：它把数据库映射为DbContext，把数据库中存取的数据直接映射为实体（Entity）对象，屏蔽了底层的数据库内部结构，无需直接使用下层数据存取引擎所提供的底层对象（比如ADO.NET所提供的DbConnection，DbCommands等）完成CRUD。
EF支持三种开发模式：Code First、Database First和Model First。这里我们使用Code First模式，它能帮助我们实现快速开发迭代的目标。最后，EF不是本文的重点，如果你还不了解EF或者Code First，可以参阅金旭亮老师的《EF走马观花》系列文章，这里就不再赘述了。
· 在Models文件夹新建一个类，取名为“UserInfo”。它作为我们的实体类，映射到MySQL数据库中的UserInfo表（这里MySQL数据库中还未创建这样的数据表）
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· 再在Models文件夹新建一个类，取名为“MyDbContext”，使其继承于DbContext，作为EF操作的数据库上下文使用。需要注意的是：这里的name=MySqlDemo，MySqlDemo为数据库的名字。而这里this.Database.CreateIfNotExists()方法则用于判断MySqlDemo这个数据库是否已存在？如果不存在，那么就创建一个。
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· 在Web.config中新增一个数据库连接字符串，database设置为“MySqlDemo”，与上面的MyDbContext中的构造函数中的name保持一致。
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至此，因为我们只用到UserInfo这一个表，所以现在我们有关数据库与EF的代码就到此结束。
3、自己封装Memcached帮助类对外提供服务接口
· 在Web.config中新增一个AppSetting，保存Memcached服务器的地址列表：
· 在Models中新建一个类，取名为“MemcachedHelper”，我们将其设置为静态类，所以方法全是静态的，我们无需实例化便可直接调用。可以看到，我们这里使用了静态构造函数来初始化全局静态对象，它不属于任何一个实例，所以这个构造函数只会被执行一次，而且是在创建此类的第一个实例或引用任何静态成员之前，由.NET自动调用。
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这里我们没有对SockIOPool进行一列的配置，采用其默认的配置即可。但是要注意的是：SockIOPool的PoolName和MemcacheClient的PoolName必须保持一致。
4、用户登录时调用Memcached帮助类接口存储用户登录状态
· 在Controller中新建一个控制器，取名为“LogonController”。主要用来显示系统登陆页和进行用户验证的AJAX操作（将用户Session存入Memcached也在此操作中）。至于登录页面的HTML和JS脚本在此就不再赘述，请自行下载Demo文件查看。
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现在来看下这个控制器的核心代码：
· Index这个Action主要用于显示登录视图，页面代码不再贴出来，只看看下面这个AJAX请求代码：借助JQuery AJAX向ValidateUserInfo这个Action提交用户名和密码，如果服务器端校验成功则返回一个JSON对象，浏览器端判断success属性是否为true，如果为true则跳转到系统主页。
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· ValidateUserInfo这个Action则是根据浏览器提交过来的AJAX请求，判断用户名和密码是否正确。这里用到了我们刚刚写的MyDbContext，首先对它进行实例化。（这一步非常重要，这时我们的MySQL数据库中还木有MySqlDemo这个数据库，当第一次实例化MyDbContext时，EF会帮我们在MySQL中创建MySqlDemo这个数据库，其本质其实就是帮我们生成一串：crate databasemysqldemo;之类的SQL语句），然后使用Lambda表达式这种优美的语法去进行校验。如果你对Lambda表达式不熟悉，可以参阅MSDN的《Lambda表达式（C#编程指南）》一文来学习下。
· 就是最核心的部分，我们采用Guid（保证作为Key的唯一性）作为SessionId写入浏览器端的Cookie中，并以此作为Key存入Memcached分布式缓存中，还给它设置了默认失效时间（这里为20分钟）。之后，每次浏览器向服务器端提交请求时，在HTTP报文中都会附带上这个Cookie，服务器端就可以通过这个Cookie作为Key去Memcached服务器中查找Session对象。
PS：一般来说，Memcached的数据Key的命名是有讲究的，这里传智的老马推荐了一个命名规则：{命名空间}-{部门名称}-{项目名称}。我们这里就简单一点，使用Guid来作为Key，因为每次生成的Guid是唯一的。
5、封装BaseController解决Action触发前的校验规则
· 在以往的信息系统项目开发中，我们在系统里边会做一个全局的校验器，判断用户的每次操作请求是否具有相应的权限，这里我们主要是校验用户是否登录，以便我们在具体的模块中获取用户的Session对象。单机情况下，我们一般就存入本机进程内的Session，因此就主要判断Session中是否存在登录状态。这里我们使用Memcached来存储Session对象，那么我们就在每个Action执行前加一段规则：判断Memcached中是否有当前用户的登录状态，如果有，则继续执行Action。如果木有，那么对不起，请进行登录。
· 在WebForm中我们可以通过写一个BasePage，使其继承于Page，重写OnLoad事件，再让其他页面继承于BasePage，就可以对用户是否登录这个校验应用到所有继承了BasePage的Page类中。那么，在MVC模式中，请求对象不再是xxx.aspx页面类型，而是/ControllerName/ActionName的路由，因此我们需要寻找一种针对Action的全局过滤方法。额，在此我们不禁想到了一个高大上的英文：AoP（Aspect Oriented Programming），它是软件开发中一个较为热门的话题，利用AOP可以对业务逻辑的各个部分进行隔离，从而使得业务逻辑各部分之间的耦合度降低，提高程序的可重用性，同时提高了开发的效率。因此，我们对Action增加全局校验规则就是将Action的校验方法与Action的业务处理相分离，使其耦合度降低，也提高了Action的校验方法的重用性，符合了AoP的思想。那么，扯了大半天，在ASP.NET MVC中到底如何实现呢？别担心，我们可以像写BasePage一样，写一个 BaseController来进行处理，使其继承于Controller，然后将其他需要使用用户登录状态校验的Controller都继承于BaseController即可。
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6、现在来看看上面这段代码：
· 从浏览器提交过来的HTTP请求报文中取得Cookie（也就是SessionId），如果没有Cookie那么肯定还没有登录，将进行重定向到登陆页面；
· 如果有Cookie那么就去Memcached服务器中查询是否有这个Key的数据内容，如果没有没有内容，那么还是重定向到登陆页面；如果有内容，则返回这个对象，由于返回的是Object类型，所以需要我们转换一下赋给全局的用户对象实例。
· 获取到UserInfo对象之后，再次将其重新存储到Memcached中，这里其实是将Session延长失效时间，实现了一个Session的滑动时间机制的效果。
PS：因为我们在登录验证的Action里面给这个缓存设置的过期时间是一个绝对的时间，而非滑动过期时间。所谓绝对时间是指到了指定时间以后便会失效，而滑动时间是指在指定时间内无访问请求便失效。
7、测试运行用户登录与Session存储
· 到此，大部分的代码都已完毕。这里我们需要进行一个小测试，新建一个Controller，取名为“HomeController”，将Index页面用作登陆后的主页，显示Session对象中的UserName属性。代码很简单，只有两行：
public ActionResult Index()
{ // 从Memcached中获取Session并传给View ViewBag.UserName = CurrentUser.UserName; return View();
}
至于View，请参考Demo文件，此处就不在赘述了，就一堆HTML而已。
· 开启虚拟机中的两台Windows Server服务器，确保Memcached服务都已成功开启。（如果你是装在本机的，直接开启服务即可）
· 开启MySQL数据库服务，这里我的MySQL是装在本机的，所以只需要开启服务即可。
8、点击调试，开始运行IIS Express服务器，进行测试吧骚年（这里需要说明的是：你需要首先随便输入一个账号和密码进行数据库的创建，因为我们采用的是Code First的方式，然后再进入MySQL添加几行测试用户数据，这里我已经添加了几行，开始进行测试。）我在数据库里边添加了一行{账号：edisonchou，密码：123456}，因此我输入账号和密码，点击登录，会出现一个友好的提示：“正在验证中，请稍候...”（如果你是第一次运行，那么需要创建数据库，这个时间会比较长，不要担心）。
· 等待系统验证完成后，便会跳转到系统主页，显示欢迎界面。可以看到，下图中的两处是根据Session的UserName来显示的。
· 现在我们手动修改URL，输入/Logon/Index，跳转到登陆页面。然后，再修改URL为/Home/Index，看看是否需要重新登录，由于我们已经将Session存入了Memcached，所以再次进入/Home/Index这个Action时会进行判断，通过浏览器端传过去的Cookie去Memcached中取Session，如存在则继续执行。这里，我们之前已经登录了，所以不再需要重新登录。下面是再次跳转/Home/Index的HTTP报文信息，可以看出登录之后已经写入了Cookie，之后的请求都会带上Cookie传递到服务器端，服务器端也就可以通过Cookie作为Key获取Session对象。
· 新开一个浏览器，再使用另一个用户数据进行登录：
· 登陆后，查看HTTP报文，获取Cookie中的sessionId：
· 根据两个用户的sessionId作为Key，在Memcached服务器中查看存储情况：经查看，两个Session都存储到了192.168.80.11这台服务器里边。为何没有平均分配，这是因为算法是根据计算Hash值来的，刚好这两个sessionId计算后的Hash值都是要分配到192.168.80.11这台服务器里边，所以就都存到了这里边。（需要注意的是：这里仅仅是在我的机器上跑的测试结果，网友们的测试结果可能会跟我的不一样，这是正常的）
至此，我们的小测试到此结束，我们的案例也到此为止。
三、学习小结
本篇我首先通过花大力气对Session服务器场景的简介引出分布式缓存对于构建Session服务器的可行性，然后使用ASP.NET MVC+EF Code First+MySQL+Memcached来模拟了一个信息系统登录场景，其中借助了Memcached来存储Session对象，并通过Action的过滤器来实现对用户登录状态的校验。最后通过一个小测试，来验证Memcached是否存储了我们的Session对象。
当然，此案例只是一个玩具级别的Demo，还需要经过很多次性能测试和优化才能应用到实际开发中。但是，我们可以从中了解到一些有益的思想，理解这些思想对于我们的实际开发能力有所裨益的。最后，希望我的文章能够给更多的像我一样的菜鸟开发者带来一点光明，如果你觉得有用，那就麻烦点一下“推荐”吧，谢谢！
参考文献
· 李智慧，《大型网站技术架构-核心原理与案例分析》，http://item.jd.com/11322972.html
· 马伦，《Memcached公开课》，http://bbs.itcast.cn/thread-14836-1-1.html
· 旋风，《Memcached分布式缓存替代Session解决方案》，http://www.cnblogs.com/xuanfeng/archive/2009/06/04/1494735.html
· 金旭亮，《Entity Framework走马观花》，http://blog.csdn.net/bitfan/article/details/12779517
· MSDN，《静态类和静态成员（C#编程指南）》，http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/79b3xss3.aspx
· 痞子一毛，《Memcached+Cookie替代Session解决方案（MVC版）》，http://www.cnblogs.com/piziyimao/archive/2013/01/29/2882236.html
· 瞌睡龙飞，《.NET中Cache的用法》，http://blog.csdn.net/ttotcs/article/details/7476234
· lulu Studio，《ASP.NET MVC:Action过滤器（Filtering）》，http://www.cnblogs.com/QLeelulu/archive/2008/03/21/1117092.html