本文將介紹開放原始碼快取系統memcached來增進資訊系統的服務效率，可將常用資料放在支援快速存取的裝置內，當使用者需要存取資料時，先查詢此裝置內的資料，若有相符，就直接存取，不必每次存取資料都必須重新取得，加快處理速度。
相信提供一個順暢的資訊系統服務（例如網站服務）是每個管理人員的目標，因此不斷地優化系統，也是管理人員持續在進行的工作。在經費許可的情況下，通常可利用更新硬體設備來提高服務效率。但在經費不寬裕的情況，也可利用軟體優化的技巧來有效提升資訊系統服務的效率，其中快取（Cache）功能便是一個重要的優化技巧。
系統將常用的資料置於一個支援快速存取的裝置上，例如記憶體，而後使用者在存取資料時即可先查此裝置的資料，若有相符的就直接存取，而不必每次存取資料都要重新再取得資料，藉此來增進資訊系統的服務效率。因此，本文將介紹開源碼中頗富盛名的快取系統「memcached」。
除此之外，由於MySQL資料庫伺服器（本文使用5.7.28版本）大量地被使用在資訊系統服務中，因此也將介紹memcached_functions_mysql套件，可與MySQL伺服器結合，讓MySQL可直接存取memcached快取系統。
認識memcached系統
memcached是一套高效能主從式架構的快取系統，能夠將資料以鍵名（Key）對應資料值（Value）的形式，把相關資料儲存在記憶體內。換句話說，就是在記憶體中建構一張巨大的雜湊表（Hash Table），讓使用者透過鍵名的方式即可快速地查詢到其對應的資料值，也因此常被用來當作快取功能以加快系統的存取效能。
要特別注意的是，由於memcached伺服器是將資料儲存在記憶體中，因此當memcached伺服器所在的主機重新啟動後，原先所儲存的資料便會消失。此外，memcached伺服器僅使用簡單的通訊協定，因此並未對安全問題多所著墨，所以在使用memcached伺服器時要特別控管可連線memcached伺服器的來源，否則任何人都可輕易地連線至memcached伺服器，而通常會利用防火牆設備來控管可存取的來源。
由於memcached伺服器會使用libevent程式庫來提供網路功能，因此在安裝memcached之前，必須先安裝libevent程式庫，連結至下列網址取得最新版本的libevent，本文中所使用的版本為2.1.11。
‧libevent程式庫下載網址： https://github.com/libevent/libevent/releases/download/release-2.1.11-stable/
在下載libevent安裝檔後，依序使用下列指令來安裝libevent程式庫：
./configure make make install
成功安裝libevent程式庫後，接著到memcached官方網站（http://memcached.org/）取得最新版本的原始碼進行安裝，本文使用1.5.20版本。然後，執行下列指令來安裝memcached：
#--with-memcached表示要編譯成伺服器 服務的型態 ./configure --with-libevent --with-libssl --with-memcached make #進行編譯 make install #進行安裝
在安裝完成之後，將會產生一個名為「memcached」的主程式，此即為主伺服器程式，用來提供相關的用途。
常用執行參數說明
接下來，分別說明memcached常用的執行參數。
-p：設定memcached執行時所使用的通訊埠號（TCP），如果沒有指定，便會使用預設的通訊埠11211，例如「memcached -p 8888」表示讓memcached以通訊埠8888進行服務。
-d：設定memcached以常駐程式（Daemon）的形式執行。
-m：設定memcached執行時所使用的記憶體容量（單位為百萬位元組），例如「memcached -m 32m」表示memcached執行時可使用32M的記憶體容量。
-u：設定memcached執行時所使用的使用者權限，例如「memcached -u root」表示以使用者root的權限來執行memcached。
-U：同-p參數，但使用UDP通訊協定，設定memcached執行時所使用的通訊埠號，如果沒有設定此參數，預設為不使用UDP通訊協定。
-v：設定在memcached執行時，輸出詳盡的執行狀態資訊，如果需要更詳盡的資訊，可再設定-vv或-vvv來取得更詳細的執行狀態資訊。
完成安裝memcached後，接下來說明memcached所提供的命令，可以在啟動memcached之後，以Telnet連線，即可直接下達相關命令，並且可以藉此觀察命令是否執行成功。
學會常用命令
接下來，將個別說明memcached常用的幾道命令。
設定快取資料，如果事先已有相同的鍵名，則會利用新設定的資料來取代舊有的資料值，也就是說，後面所設定的資料會蓋過之前所設定的資料值。其命令格式如下：
set [鍵值] 0 [有效秒數] [資料值的長度]
如下例為設定一個快取資料並設其鍵名為「k1」且此資料值的長度為3，最後並設定此快取資料有效的時間為300秒，執行結果如圖1所示：
set k1 0 300 3
圖1 執行「set k1 0 300 3」命令。
由鍵名取得快取資料。此命令可利用鍵名的方式取得事先已建立在快取資料中的資料值，其命令格式如下，圖2所示則為取得鍵名為「k1」的資料值：
get [鍵值]
圖2 取得鍵名為k1的資料值。
類似get的命令，但與get不同的是，此命令的回傳值會多一個值（最後一個數字），用於確認此鍵名所對應的資料值是否有變動過及曾變動的次數，當每變動一次，此數值即會往上遞增。其命令格式如下，而執行結果如圖3所示，表示此鍵名（k1）的資料值在建立後即未被更改過：
gets [鍵值]
圖3 此鍵名k1的資料值在建立後未被更改過。
在記憶體中增加快取資料，要特別注意的是，當執行此指令時，如果所增加的鍵名事先已被建立，就會發生重複設定的錯誤，必須是新增事先不存在的鍵名及資料值，此指令才會執行成功。其命令格式如下，而圖4所示的執行結果為新增一個鍵名為「k2」的資料：
add [鍵值] 0 [有效秒數] [資料值的長度]
圖4 新增一個鍵名為k2的資料。
更新已存在的快取資料的資料值，同樣地，必須是事先已建立的鍵名及資料值，此指令才會執行成功。其命令格式如下，圖5所示的執行結果為將k1值由456更改成789：
replace [鍵值] 0 [有效秒數] [資料值的長度]
圖5 將k1值由456更改成789。
此命令用來查看memcached伺服器目前的執行狀態，常見的輸出欄位說明如下：
pid [程序ID]
此欄位是說明memcached伺服器運作時所使用的程序ID資訊。
pointer_size [數值]
此欄位說明了memcached伺服器所在主機的作業系統所使用的指針（Pointer）長度，通常一般為32或64。
uptime [秒數]
此欄位用於說明memcached伺服器在啟動之後已運行的時間，單位為秒。
time [數值]
此欄位是說明memcached伺服器所在主機的當前系統時間。
curr_connections [連線數]
此欄位在說明目前連線到memcached伺服器的連線數。
total_connections [總連線數]
此欄位說明了從memcached伺服器啟動之後連線到memcached伺服器的總連線數。
cmd_get [總次數]
此欄位說明了從memcached伺服器啟動後，使用者取得get命令取得快取資料的總次數。
cmd_set [總次數]
此欄位用於說明從memcached伺服器啟動之後，使用者使用set命令設定快取資料的總次數。
curr_items [個數]
此欄位的用途在於說明目前memcached伺服器上已設定的快取資料總個數。
total_items [總個數]
此欄位用來說明從memcached伺服器啟動之後，曾設定過的快取資料總個數。
get_hits [命中次數]
此欄位說明使用者以get命令取得快取資料的命中次數。
get_misses [未命中次數]
此欄位說明了使用者以get命令取得快取資料的未命中次數。
delete_hits [命中次數]
此欄位在說明使用者以delete命令取得快取資料的命中次數。
delete_misses [未命中次數]
此欄位說明了使用者以delete命令取得快取資料的未命中次數。
cmd_flush [命令次數]
此欄位用來表示從memcached伺服器啟動之後，使用者執行flush_all命令的次數。
limit_maxbytes [位元組]
此欄位在於說明memcached伺服器在運作時所能使用的記憶體的最大容量，單位為位元組。
bytes_read [位元組]
此欄位在於說明從memcached伺服器啟動之後，取得來自網路的總資料量，單位為位元組。
bytes_written [位元組]
此欄位是說明從memcached伺服器啟動之後，傳送至網路的總資料量，使用的單位為位元組。
如圖6所示，為執行stats命令後，所回覆之結果。
圖6 執行stats命令後的回覆結果。
此命令是用來刪除相關的快取資料，其命令格式如下，圖7所示的執行則表示刪除鍵名為「k1」的快取資料：
delete [鍵值]
圖7 刪除鍵名為k1的快取資料。
flush_all
用來清除所有的快取的資料，使用者可利用此命令清除memcached伺服器建立的所有快取資料。
在完成安裝memcached並簡單說明過相關命令的用法後，就可以啟動memcached伺服器。以下列指令為例，利用root的權限以常駐程式的形式執行，並使用32M記憶體來啟動memcached：
memcached -d -m 32m -u root
memcached啟動完成，利用「netstat -anpt」指令來查看memcached是否確實在運作中，如圖8所示。
圖8 確認memcached是否已經開始正常運作。
在確認memcached已正常運作後，接下來安裝MySQL伺服器的UDF套件，讓MySQL伺服器能夠直接設定及存取memcached伺服器的快取資料。
安裝memcached_functions_mysql
為了讓更多的開發團隊能夠更有效率地開發相關程式來提升MySQL伺服器的功能，因此MySQL提出了「使用者自定函數」（User Define Function，UDF）架構，只要開發者撰寫符合此架構規範的程式，即可開發相關自定義的函數來提升MySQL伺服器的功能，而memcached_functions_mysql即為第三方所開發，用來直接存取memcached伺服器的UDF套件。
在本文中，將介紹如何安裝此套件來為MySQL伺服器加上存取memcached伺服器的功能。在安裝memcached_functions_mysql之前，必須先安裝Libmemcached程式庫，所以先連結至「https://launchpad.net/libmemcached/」網頁取得最新版本的原始碼，本文中使用1.0.18版。
將下載回來的檔案解壓縮，然後使用如下的指令進行編譯：
#表示支援memcached伺服器及MySQL伺服器 ./configure --with-memcached --with -mysql make make install
完成安裝Libmemcached程式庫後，即可繼續安裝memcached_functions_mysql，執行如下指令來安裝：
#以git指令取得原始碼 git clone https://github.com/smi ra/memcached_functions_mysql.git #至memcached_functions_mysql原始碼 目錄內 cd memcached_functions_mysql
#根據系統環境來產生相關的組態檔 sh ./config/bootstrap #設定支援memcached伺服器及MySQL伺服器 ./configure --with-mysql --with- libmemcached make #編譯
在編譯成功後，就會在「src/.libs/」目錄下產生一個名稱為「libmemcached_functions_mysql.so」的檔案，接著必須將此檔案複製到MySQL的「plugin」目錄下，所以要先確認MySQL伺服器的「plugin」目錄位置。可利用mysql（MySQL伺服器所提供的用戶端程式）程式登入到MySQL伺服器，然後如圖9所示執行「show global variables like 'plugin_dir';」命令。
圖9 執行命令查詢「plugin」目錄的位置。
執行命令後，就可以得知「plugin」目錄位置，在本例中為「/usr/local/mysql5/lib/plugin/」，因此必須將libmemcached_functions_mysql.so複製至該目錄，再重新啟動MySQL伺服器。
最後，再建立被放置於install_functions.sql檔案中此UDF套件所提供函數相關的建立指令，僅需要依照該檔案的內容逐一地新建相關函數即可。同樣地，建立完成後，登入至MySQL伺服器中執行「select * from mysql.func;」命令，來顯示相關函數的資訊。如果輸出資訊如圖10所示，就表示已經完成建置，至此即可在MySQL伺服器中利用所建置的函數來存取memcached伺服器的快取資料。
圖10 執行「select * from mysql.func」命令顯示相關函數。
相關函數介紹
接下來，繼續說明常用的函數。
此函數是用來設定連接memcached伺服器，如圖11所示，表示連接運作在本機上通訊埠11211的memcached伺服器，在存取快取資料之前，必須先用此函數來設定memcached伺服器。
圖11 使用memc_servers_set函數。
此為set命令，用設定快取資料，如圖12所示表示設定鍵名為「k1」，其資料值為「123」。
圖12 設定鍵名為k1，而資料值為123。
即get命令，用來取得快取資料，圖13所示為取得鍵名為「k1」的資料值。
圖13 取得鍵名為k1的資料值。
即delete命令，如圖14所示，為刪除鍵名為「k1」的資料值。刪除過後，再使用memc_get指令來取得鍵名「k1」的資料值，就會發現將取得NULL值。
圖14 刪除鍵名為k1的資料值。
至此，已完成建置memcached伺服器以及新增MySQL伺服器可直接存取memcached伺服快取資料的功能了。
＜本文作者：吳惠麟，多年資安經驗，喜好利用開源碼建構相關解決方案，著有「資訊安全原理與實驗」等書。＞