Twisted в действии — memcache на python

Преамбула

В связи с выходными потратил немного времени на реализацию сервера Memcache с использованием python-фреймворка Twisted. В итоге я получил быстродействие в два раза более низкое, что я не считаю очень критичным, а также возможность реализовать парочку расширений оригинального протокола. Также возможны оптимизации, которые еще улучшат быстродействие.
Протокол не был реализован полностью - есть еще моменты над которыми можно поработать, но стандартные set/get вполне работоспособны и готовы к использованию.

Средства

Для хранения кеша используем базовый класс dict. Как вы догадываетесь, реализация dict в python быстра, этот базовый тип используется в python настолько активно, что его не оставили без детальной оптимизации. Таким образом, мы автоматом имеем структуру для хранения кеша в памяти. Осталось реализовать протокол memcache, для предоставления доступа к dict другим программам.

Для реализации сервера используем Twisted. Есть множество вариаций неблокирующего IO для python на сегодня, но Twisted это уже классика, и имеет в своем арсенале достаточно средств для легкого решения подобных задач.

Реализация сетевого протокола

Как реализуют протоколы? Первым делом вам конечно же нужно найти описание протокола. Я нашел его здесь - http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt

После прочтения протокола становится понятно, что от клиента мы получим одну или две строки, причем первую строку мы можем смело разбивать на элементы по пробелам. Вторая строка используется в командах, которые передают серверу данные - set, add, replace и т.п. Если вам хочется подробнее вникнуть в статью, то отправлю вас почитать описание самостоятельно, цели выложить его перевод сюда не было.

Вооруженные этим знанием, смотрим, что нам может предложить Twisted для решения этой задачи, и сразу находим LineOnlyReceiver - протокол из базовой поставки Twisted, который работает только с протоколами, обменивающимися строками, то есть то, что надо.

                                                                                                                  
class MemcacheProtocol(LineOnlyReceiver):                                                                                    
    """                                                                                                                      
    Реализует базис протокола - прием сообщений от клиента                                                                   
    и отдачу результата.                                                                                                     
    """                                                                                             
    def lineReceived(self,line):            
        debug(repr(line))                   
        if not 'parameters' in self.instruction:
            parameters = line.split(' ')        
            debug("Got new command "+parameters[0])
            self.instruction['parameters']=parameters

            # Если данных не ожидается, то к исполнению
            if parameters[0] in Cache.oneline_commands:
                self.process()                         
        else:                                          
            # Получены данные к двухстрочной команде, к исполнению
            debug("Got data "+line)                               
            self.instruction['data']=line                         
            self.process()                                        

    def process(self):
        # Cache.call возвращает генератор
        for line in Cache.call(self.instruction):
            # И мы отсылаем все что он нагенерирует отдельными строками
            debug("Send line "+line)                                   
            self.sendLine(line)                                        
        # Готовы к дальнейшим инструкциям, насяльника!                 
        self.instruction={}                                            

    def connectionMade(self):
        debug("Connected!")  
        self.instruction={}  

Как видно из кода, для собственно работы используется Cache. Это синглетон, по сути просто класс, методы которого обернуты декоратором @classmethod. Вызов Cache.call должен вернуть генератор, которые будет возвращать строки, которые, в свою очередь, наша реализация протокола, будет отдавать клиенту.

Разбираем запрос от клиента

Первая строка это команда и параметры, разделенные пробелами, поэтому используем строковый метод split, и на выходе получаем список. Далее его надо разобрать на составляющие, перед тем как с данными начнет работать команда. Я использую класс, так как мне нравится перспектива обращаться к параметрам, указывая их через точку. Приведенный ниже код уже требует прочтения описания протокола, а для ленивых пара наводящих строк:

Команды записи данных:                                                                                                       
     [noreply]\r\n                                                                 
cas      [noreply]\r\n                                                               

Получение данных:
get *\r\n   
gets *\r\n  
delete \r\n 

Ну и тому подобное.

Реализация разбора:

class Instruction(object):
    def __init__(self, i):
        p = i['parameters']
        self.cmd = p.pop(0)

        # Проверяем noreply
        if p[-1]=='noreply':
            self.reply=False
            # Выкидываем его
            p.pop(-1)       
        else:               
            self.reply=True 

        if self.cmd in Cache.storage_commands:
            # Если CAS то есть еще один параметр (т.е. особый случай)
            if self.cmd == "cas":                                    
                self.unique = p.pop(-1)                              

            # Теперь все параметры однозначны, но мы хотим расширить протокол,
            # потому все не так просто, как dict(zip())                       
            self.bytes = p.pop(-1)                                            
            self.exptime = p.pop(-1)                                          
            self.flags = p.pop(-1)                                            
            self.data = i.get('data',None)                                    

        # incr, decr
        elif self.cmd in ["incr","decr"]:
            self.change_value = p.pop(-1)

        self.keys = p

    def __str__(self):
        return str(self.__dict__)

Реализация хранения кеша и работы с ним

Протокол мною сразу же был расширен, а именно есть возможность работы с вложенными данными. Кеш переделан в древовидный, и все операции, которые по стандарту указывают один ключ, могут указывать список ключей, разделенных пробелами. Впрочем от этого легко избавиться, но тогда будет совсем неясен смысл работы.

В качестве единицы хранения реализован класс Entry, в котором содержится словарь(childs типа dict) с дочерними экземплярами Entry. Более того - верхней точкой в иерархии также является экземпляр класса Entry.

Здесь же я приведу фрагмент синглетона Cache:

class Cache(object):
    # consts
    storage_commands = ["set", "add", "replace", "append", "prepend","cas"]
    oneline_commands = ["get", "gets","getn", "delete", "incr", "decr", "stats"]

    # cache storage
    data = Entry(0,0,0)

    # cache operations
    @classmethod
    def call(cls, instruction):
        i = Instruction(instruction)
        debug(i)
        command = getattr(cls,i.cmd)
        return command(i)

    @classmethod
    def set(cls, i):
        "set, поддержка вложенных ключей"
        parent = cls.data.get_child(i.keys[:-1])
        if parent:
            parent.set_child(i.keys[-1], Entry(i.data,i.flags,i.exptime))
            yield "STORED"
        else:
            yield "NOT_STORED"

    @classmethod
    def get(cls, i):
        "get, не обрабатывает вложенные ключи"
        for key in i.keys:
            entry = cls.data.get_child([key])
            if entry:
                yield ' '.join(( "VALUE", key, entry.flags, str(len(entry.data)) ))
                yield entry.data
        yield "END"

Код Entry и всего остального смотрим тут - http://github.com/Deepwalker/tx-cache/blob/master/mck.py