golang实现分布式缓存笔记（一）基于http的缓存服务

前言

这个月我想学一下go语言，于是决定学习一个go实现的缓存服务。

首先本文基于golang的http包实现一个简单http的缓存服务，因为用golang自带的http包实现一个处理请求的服务端十分便利，我们只需要写一个简单的map保存数据，写一个http的handler处理请求即可，你不需要考虑任何复杂的并发问题，因为golang的http服务框架会帮你处理好底层的一切。

cache

缓存服务接口

SETGETDELPUTGETDELETE

put

PUT /cache/<key>
content
<value>

GET

GET /cache/<key>
content
<value>

DELETE

DELETE /cache/<key>

cache包实现

cache包接口定义

package cache

type Cache interface {
	Set(string, []byte) error
	Get(string) ([]byte, error)
	Del(string) error
	GetStat() Stat
}

cache 接口实现

package cache

import "sync"

type SimpleCache struct {
	c     map[string][]byte
	mutex sync.RWMutex
	Stat
}

func (c *SimpleCache) Set(k string, v []byte) error {
	c.mutex.Lock()
	defer c.mutex.Unlock()
	tmp, exist := c.c[k]
	if exist {
		c.del(k, tmp)
	}
	c.c[k] = v
	c.add(k, v)
	return nil
}

func (c *SimpleCache) Get(k string) ([]byte, error) {
	c.mutex.RLock()
	defer c.mutex.RUnlock()
	return c.c[k], nil
}

func (c *SimpleCache) Del(k string) error {
	c.mutex.Lock()
	defer c.mutex.Unlock()
	v, exist := c.c[k]
	if exist {
		delete(c.c, k)
		c.del(k, v)
	}
	return nil
}

func (c *SimpleCache) GetStat() Stat {
	return c.Stat
}

func newInMemoryCache() *SimpleCache {
	return &SimpleCache{make(map[string][]byte), sync.RWMutex{}, Stat{}}
}

cache包测试：

package main

import (
	"./cache"
  "fmt"
)

func main() {
	c := cache.New("inmemory")

  k, v := "sola", []byte{'a','i','l','u','m','i','y','a'}

  c.Set(k, v)

  tmp, _ := c.Get(k)
  fmt.Println("key: ", k, " value: ", tmp)

  c.Del(k)

  tmp, _ = c.Get(k)
  fmt.Println("key: ", k, " value: ", tmp)

}

sola@sola:~/Coder/GitHub/go-cache/http-cache/server$ go run main.go 
2019/02/10 00:07:15 inmemory ready to serve
key:  sola  value:  [97 105 108 117 109 105 121 97]
sola@sola:~/Coder/GitHub/go-cache/http-cache/server$ go run main.go 
2019/02/10 00:07:28 inmemory ready to serve
key:  sola  value:  [97 105 108 117 109 105 121 97]
key:  sola  value:  []

golang http包使用介绍

Golang自带的http包已经实现了htpp客户端和服务端，我们可以利用它更为快速的开发http服务。本章仅介绍一下http包服务端的使用。

Golang中处理 HTTP 请求主要跟两个东西相关：ServeMux 和 Handler。

Alt text

ServrMux 本质上是一个 HTTP 请求路由器（或者叫多路复用器，Multiplexor）。它把收到的请求与一组预先定义的 URL 路径列表做对比，然后在匹配到路径的时候调用关联的处理器（Handler）。

处理器（Handler）负责输出HTTP响应的头和正文。任何满足了http.Handler接口的对象都可作为一个处理器。通俗的说，对象只要有个如下签名的ServeHTTP方法即可：

ServeHTTP(http.ResponseWriter, *http.Request)

NotFoundHandlerRedirectHandler

接着，我们来看两个简单的样例:

hello.go

package main

import (
    "io"
    "log"
    "net/http"
)

func HelloGoServer(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    io.WriteString(w, "Hello, this is a GoServer")
}

func main() {
    http.HandleFunc("/", HelloGoServer)
    err := http.ListenAndServe(":9090", nil)
    if err != nil {
        log.Fatal("ListenAndServer ", err)
    }
}

HelloGoServer/DefaultServeMux

2、http.ListenAndServe(":9090", nil)
ListenAndServe同字面意思监听并服务。这里是监听9090端口，它其实也是一个外部方法，调用内部Server类型的ListenAndServe。

Redirect.go

package main

import (
  "log"
  "net/http"
)

func main() {
  mux := http.NewServeMux()

  rh := http.RedirectHandler("http://www.baidu.com", 307)
  mux.Handle("/foo", rh)

  log.Println("Listening...")
  http.ListenAndServe(":3000", mux)
}

1、这个样例中我们没用默认的ServeMux，而是通过 http.NewServeMux 函数来创建一个空的 ServeMux。
2、http.RedirectHandler 函数创建了一个重定向处理器，这个处理器会对收到的所有请求，都执行307重定向操作到 http://www.baidu.com。
3、ServeMux.Handle 函数将处理器注册到新创建的 ServeMux，所以它在 URL 路径/foo 上收到所有的请求都交给这个处理器。
4、最后通过 http.ListenAndServe 函数启动服务处理请求，通过传递刚才创建的 ServeMux来为请求去匹配对应处理器。

键入后你会跳转到百度。

Alt text

http-cache-server 实现

GETPUTDELETE

ServeHTTP(http.ResponseWriter, *http.Request)

ResponseWriter

type ResponseWriter interface {
    // Header返回一个Header类型值，该值会被WriteHeader方法发送。
    // 在调用WriteHeader或Write方法后再改变该对象是没有意义的。
    Header() Header
    // WriteHeader该方法发送HTTP回复的头域和状态码。
    // 如果没有被显式调用，第一次调用Write时会触发隐式调用WriteHeader(http.StatusOK)
    // WriterHeader的显式调用主要用于发送错误码。
    WriteHeader(int)
    // Write向连接中写入作为HTTP的一部分回复的数据。
    // 如果被调用时还未调用WriteHeader，本方法会先调用WriteHeader(http.StatusOK)
    // 如果Header中没有"Content-Type"键，
    // 本方法会使用包函数DetectContentType检查数据的前512字节，将返回值作为该键的值。
    Write([]byte) (int, error)
}

Request

type Request struct {
    // Method指定HTTP方法（GET、POST、PUT等）。对客户端，""代表GET。
    Method string
    // URL在服务端表示被请求的URI，在客户端表示要访问的URL。
    //
    // 在服务端，URL字段是解析请求行的URI（保存在RequestURI字段）得到的，
    // 对大多数请求来说，除了Path和RawQuery之外的字段都是空字符串。
    // （参见RFC 2616, Section 5.1.2）
    //
    // 在客户端，URL的Host字段指定了要连接的服务器，
    // 而Request的Host字段（可选地）指定要发送的HTTP请求的Host头的值。
    URL *url.URL
    // 接收到的请求的协议版本。本包生产的Request总是使用HTTP/1.1
    Proto      string // "HTTP/1.0"
    ProtoMajor int    // 1
    ProtoMinor int    // 0
    // Header字段用来表示HTTP请求的头域。如果头域（多行键值对格式）为：
    //	accept-encoding: gzip, deflate
    //	Accept-Language: en-us
    //	Connection: keep-alive
    // 则：
    //	Header = map[string][]string{
    //		"Accept-Encoding": {"gzip, deflate"},
    //		"Accept-Language": {"en-us"},
    //		"Connection": {"keep-alive"},
    //	}
    // HTTP规定头域的键名（头名）是大小写敏感的，请求的解析器通过规范化头域的键名来实现这点。
    // 在客户端的请求，可能会被自动添加或重写Header中的特定的头，参见Request.Write方法。
    Header Header
    // Body是请求的主体。
    //
    // 在客户端，如果Body是nil表示该请求没有主体买入GET请求。
    // Client的Transport字段会负责调用Body的Close方法。
    //
    // 在服务端，Body字段总是非nil的；但在没有主体时，读取Body会立刻返回EOF。
    // Server会关闭请求的主体，ServeHTTP处理器不需要关闭Body字段。
    Body io.ReadCloser
    // ContentLength记录相关内容的长度。
    // 如果为-1，表示长度未知，如果>=0，表示可以从Body字段读取ContentLength字节数据。
    // 在客户端，如果Body非nil而该字段为0，表示不知道Body的长度。
    ContentLength int64
    // TransferEncoding按从最外到最里的顺序列出传输编码，空切片表示"identity"编码。
    // 本字段一般会被忽略。当发送或接受请求时，会自动添加或移除"chunked"传输编码。
    TransferEncoding []string
    // Close在服务端指定是否在回复请求后关闭连接，在客户端指定是否在发送请求后关闭连接。
    Close bool
    // 在服务端，Host指定URL会在其上寻找资源的主机。
    // 根据RFC 2616，该值可以是Host头的值，或者URL自身提供的主机名。
    // Host的格式可以是"host:port"。
    //
    // 在客户端，请求的Host字段（可选地）用来重写请求的Host头。
    // 如过该字段为""，Request.Write方法会使用URL字段的Host。
    Host string
    // Form是解析好的表单数据，包括URL字段的query参数和POST或PUT的表单数据。
    // 本字段只有在调用ParseForm后才有效。在客户端，会忽略请求中的本字段而使用Body替代。
    Form url.Values
    // PostForm是解析好的POST或PUT的表单数据。
    // 本字段只有在调用ParseForm后才有效。在客户端，会忽略请求中的本字段而使用Body替代。
    PostForm url.Values
    // MultipartForm是解析好的多部件表单，包括上传的文件。
    // 本字段只有在调用ParseMultipartForm后才有效。
    // 在客户端，会忽略请求中的本字段而使用Body替代。
    MultipartForm *multipart.Form
    // Trailer指定了会在请求主体之后发送的额外的头域。
    //
    // 在服务端，Trailer字段必须初始化为只有trailer键，所有键都对应nil值。
    // （客户端会声明哪些trailer会发送）
    // 在处理器从Body读取时，不能使用本字段。
    // 在从Body的读取返回EOF后，Trailer字段会被更新完毕并包含非nil的值。
    // （如果客户端发送了这些键值对），此时才可以访问本字段。
    //
    // 在客户端，Trail必须初始化为一个包含将要发送的键值对的映射。（值可以是nil或其终值）
    // ContentLength字段必须是0或-1，以启用"chunked"传输编码发送请求。
    // 在开始发送请求后，Trailer可以在读取请求主体期间被修改，
    // 一旦请求主体返回EOF，调用者就不可再修改Trailer。
    //
    // 很少有HTTP客户端、服务端或代理支持HTTP trailer。
    Trailer Header
    // RemoteAddr允许HTTP服务器和其他软件记录该请求的来源地址，一般用于日志。
    // 本字段不是ReadRequest函数填写的，也没有定义格式。
    // 本包的HTTP服务器会在调用处理器之前设置RemoteAddr为"IP:port"格式的地址。
    // 客户端会忽略请求中的RemoteAddr字段。
    RemoteAddr string
    // RequestURI是被客户端发送到服务端的请求的请求行中未修改的请求URI
    // （参见RFC 2616, Section 5.1）
    // 一般应使用URI字段，在客户端设置请求的本字段会导致错误。
    RequestURI string
    // TLS字段允许HTTP服务器和其他软件记录接收到该请求的TLS连接的信息
    // 本字段不是ReadRequest函数填写的。
    // 对启用了TLS的连接，本包的HTTP服务器会在调用处理器之前设置TLS字段，否则将设TLS为nil。
    // 客户端会忽略请求中的TLS字段。
    TLS *tls.ConnectionState
}

golang请求及应答中涉及到的常量.

golang中的HTTP状态码

const (
    StatusContinue           = 100
    StatusSwitchingProtocols = 101
    StatusOK                   = 200
    StatusCreated              = 201
    StatusAccepted             = 202
    StatusNonAuthoritativeInfo = 203
    StatusNoContent            = 204
    StatusResetContent         = 205
    StatusPartialContent       = 206
    StatusMultipleChoices   = 300
    StatusMovedPermanently  = 301
    StatusFound             = 302
    StatusSeeOther          = 303
    StatusNotModified       = 304
    StatusUseProxy          = 305
    StatusTemporaryRedirect = 307
    StatusBadRequest                   = 400
    StatusUnauthorized                 = 401
    StatusPaymentRequired              = 402
    StatusForbidden                    = 403
    StatusNotFound                     = 404
    StatusMethodNotAllowed             = 405
    StatusNotAcceptable                = 406
    StatusProxyAuthRequired            = 407
    StatusRequestTimeout               = 408
    StatusConflict                     = 409
    StatusGone                         = 410
    StatusLengthRequired               = 411
    StatusPreconditionFailed           = 412
    StatusRequestEntityTooLarge        = 413
    StatusRequestURITooLong            = 414
    StatusUnsupportedMediaType         = 415
    StatusRequestedRangeNotSatisfiable = 416
    StatusExpectationFailed            = 417
    StatusTeapot                       = 418
    StatusInternalServerError     = 500
    StatusNotImplemented          = 501
    StatusBadGateway              = 502
    StatusServiceUnavailable      = 503
    StatusGatewayTimeout          = 504
    StatusHTTPVersionNotSupported = 505
)

golang 中的HTTP行为常量定义

  5 package http
  6 
  7 // Common HTTP methods.
  8 //
  9 // Unless otherwise noted, these are defined in RFC 7231 section 4.3.
 10 const (
 11     MethodGet     = "GET"
 12     MethodHead    = "HEAD"
 13     MethodPost    = "POST"
 14     MethodPut     = "PUT"
 15     MethodPatch   = "PATCH" // RFC 5789
 16     MethodDelete  = "DELETE"
 17     MethodConnect = "CONNECT"
 18     MethodOptions = "OPTIONS"
 19     MethodTrace   = "TRACE"
 20 )

cacheHandler

到这里所有用到的http包中结构都已经说明了，开始写main包，
我们定义一个cacheHandler类型，用我们的inMemoryCache接口初始化它，并实现他的ServeHTTP方法。
最后将cacheHandler类型的CacheHandler方法注册到http包默认的ServeMux路由，绑定端口26316，启动服务。

package main

import (
  "./cache"
  "io/ioutil"
  "net/http"
  "log"
  "strings"
)

type cacheHandler struct {
  cache.Cache
}

func (h *cacheHandler) CacheHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  log.Println("url ", r.URL, " Method ", r.Method)

  //Split Get Key
  key := strings.Split(r.URL.EscapedPath(), "/")[2]

  if len(key) == 0 {
    w.WriteHeader(http.StatusBadRequest)
    return
  }

  m := r.Method

  if m == http.MethodPut {
    h.HandlePut(key, w, r)
    return
  } else if m == http.MethodGet {
    h.HandleGet(key, w, r)
    return
  } else if m == http.MethodDelete {
    h.HandleDelete(key, w, r)
    return
  }

  w.WriteHeader(http.StatusMethodNotAllowed)
}


func (h *cacheHandler) HandlePut(k string, w http.ResponseWriter, r *http.Request){
  b, _ := ioutil.ReadAll(r.Body)

  if len(b) != 0 {
    e := h.Set(k, b)
    if e != nil {
      log.Println(e)
      w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
    } else {
      w.Write([]byte("successful"))
    }
  }
}

func (h *cacheHandler) HandleGet(k string, w http.ResponseWriter, r *http.Request){
  b, e := h.Get(k)
  
  if e != nil {
    log.Println(e)
    w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
    return
  }

  if len(b) == 0 {
    w.WriteHeader(http.StatusNotFound)
    return
  }

  w.Write(b)

}

func (h *cacheHandler) HandleDelete(k string, w http.ResponseWriter, r *http.Request){
  e := h.Del(k)

  if e != nil {
    log.Println(e)
    w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
  } else {
    w.Write([]byte("successful"))
  }

}

func main() {
  c := cache.New("inmemory")
  h := cacheHandler{c}
  http.HandleFunc("/cache/", h.CacheHandler)
  http.ListenAndServe(":26316", nil)

}

程序测试

使用postman测试put浏览器直接测试Get

使用postman测试Delete

再次Get会返回404

与redis的比较

缓存功能的服务已经实现了，那么它的性能怎样呢，键值对缓存服务中比较有名的是redis，我们和它做下比较。
redis是一款in memory数据结构存储，可以被用作数据库、缓存及消息中间件。支持包括字符串、散列、列表及集合在内的多种数据结构、支持范围查询、具备内建的复制功能、lua脚本、LRU缓存淘汰策略、事务处理及两种不同的磁盘持久化方案（RDB和AOF）还能建立redis集群提供高可用性能。

redis的RDB持久化方案会在指定时间点将内存数据集快照存入磁盘。RDB开始工作时，会自己fork出一个持久化进程，此时原服务进程的一切内存数据相当于保存了一份快照、然后持久化进程将它的内存压缩并写入磁盘。

redis的AOF方案则是将服务接受到的所有写操作记入磁盘上的日志文件、将日志文件的格式和redis协议保持一致且只允许添加。

RDB方案对性能的影响比AOF小，因为它不占用原服务进程的磁盘IO、RDB的缺点在于系统死机时丢失的数据比AOF要多，因为它只保留得到数据到上一次持久化进程运行的那个时间点，而AOF可以一直记录到系统死机之前的最后一次写操作的数据。

本篇实现的是一个简单的内存缓存，不包含持久化方案，也不会保存进磁盘，一旦服务器重启所有数据就会丢失。
性能方面只有redis的1/4，主要原因在于REST协议的解析上，REST基于HTTP，HTTP基于TCP，而redis是直接建立在TCP上的。

下一篇文章会实现一个基于TCP的缓存协议规范。本系列笔记最终实现的缓存会是使用HTTP/REST协议和TCP混合的接口规范，其中HTTP/REST只用于各种管理功能。

参考资料：

分布式缓存-原理、架构及Go语言实现 ----- 胡世杰