构建高性能缓存系统（C语言分布式缓存从零实现教程）

什么是分布式缓存？

分布式缓存是指将缓存数据分散存储在多台服务器上，通过网络进行访问。相比单机缓存，它具备更高的可用性、扩展性和容错能力。常见的分布式缓存系统有 Redis、Memcached 等。

而使用 C语言缓存实现 的优势在于：执行效率高、内存控制精细、适合嵌入到高性能服务中。

项目目标

• 支持基本的 set / get 操作
• 使用 TCP 网络通信
• 基于哈希表实现本地缓存
• 可扩展为多节点（本教程聚焦单节点原型）

第一步：设计缓存结构

我们先定义一个简单的键值对结构和哈希表：

// cache.h#ifndef CACHE_H#define CACHE_H#include <stdlib.h>#include <string.h>#define MAX_KEY_LEN 256#define MAX_VAL_LEN 1024#define HASH_TABLE_SIZE 1024// 键值对结构typedef struct {    char key[MAX_KEY_LEN];    char value[MAX_VAL_LEN];    struct KVPair* next; // 用于链地址法解决冲突} KVPair;// 哈希表结构typedef struct {    KVPair* buckets[HASH_TABLE_SIZE];} HashTable;// 初始化哈希表HashTable* create_hash_table();// 哈希函数unsigned int hash(const char* key);// 设置键值对void set(HashTable* table, const char* key, const char* value);// 获取值char* get(HashTable* table, const char* key);#endif

第二步：实现哈希表逻辑

// cache.c#include "cache.h"#include <stdio.h>// 创建哈希表HashTable* create_hash_table() {    HashTable* table = (HashTable*)malloc(sizeof(HashTable));    for (int i = 0; i < HASH_TABLE_SIZE; i++) {        table->buckets[i] = NULL;    }    return table;}// 简单哈希函数unsigned int hash(const char* key) {    unsigned int hash_val = 0;    while (*key) {        hash_val = (hash_val << 5) - hash_val + *key++;    }    return hash_val % HASH_TABLE_SIZE;}// 设置键值对void set(HashTable* table, const char* key, const char* value) {    unsigned int index = hash(key);    KVPair* current = table->buckets[index];    // 检查是否已存在    while (current) {        if (strcmp(current->key, key) == 0) {            strncpy(current->value, value, MAX_VAL_LEN - 1);            return;        }        current = current->next;    }    // 插入新节点    KVPair* new_pair = (KVPair*)malloc(sizeof(KVPair));    strncpy(new_pair->key, key, MAX_KEY_LEN - 1);    strncpy(new_pair->value, value, MAX_VAL_LEN - 1);    new_pair->next = table->buckets[index];    table->buckets[index] = new_pair;}// 获取值char* get(HashTable* table, const char* key) {    unsigned int index = hash(key);    KVPair* current = table->buckets[index];    while (current) {        if (strcmp(current->key, key) == 0) {            return current->value;        }        current = current->next;    }    return NULL; // 未找到}

第三步：添加网络服务层

为了让缓存能被远程访问，我们需要启动一个 TCP 服务器：

// server.c#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include "cache.h"#define PORT 8080#define BUFFER_SIZE 2048int main() {    int server_fd, new_socket;    struct sockaddr_in address;    int addrlen = sizeof(address);    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};    HashTable* cache = create_hash_table();    // 创建 socket    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {        perror("socket failed");        exit(EXIT_FAILURE);    }    // 绑定端口    address.sin_family = AF_INET;    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    address.sin_port = htons(PORT);    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {        perror("bind failed");        exit(EXIT_FAILURE);    }    // 监听连接    if (listen(server_fd, 3) < 0) {        perror("listen");        exit(EXIT_FAILURE);    }    printf("缓存服务器启动，监听端口 %d\n", PORT);    while (1) {        if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address,                                  (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {            perror("accept");            continue;        }        read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);        printf("收到请求: %s\n", buffer);        char response[1024] = {0};        if (strncmp(buffer, "SET ", 4) == 0) {            char* space1 = strchr(buffer + 4, ' ');            if (space1) {                *space1 = '\0';                char* key = buffer + 4;                char* value = space1 + 1;                set(cache, key, value);                strcpy(response, "OK\n");            } else {                strcpy(response, "ERROR: 格式应为 SET key value\n");            }        } else if (strncmp(buffer, "GET ", 4) == 0) {            char* key = buffer + 4;            char* val = get(cache, key);            if (val) {                snprintf(response, sizeof(response), "%s\n", val);            } else {                strcpy(response, "NOT_FOUND\n");            }        } else {            strcpy(response, "ERROR: 仅支持 SET/GET 命令\n");        }        write(new_socket, response, strlen(response));        close(new_socket);    }    return 0;}

第四步：编译与测试

在终端中执行以下命令编译程序：

gcc -o cache_server server.c cache.c -std=c99

启动服务器：

./cache_server

在另一个终端使用 telnet 测试：

telnet localhost 8080# 输入：SET name Alice# 回车后输入：GET name# 应返回：Alice

进阶方向：打造真正的分布式系统缓存

当前版本是单节点缓存。要升级为高性能缓存系统，你可以：

• 引入一致性哈希算法，实现多节点数据分片
• 增加主从复制或 Raft 协议保证高可用
• 使用 epoll 或 libevent 提升并发性能
• 添加 LRU 淘汰策略防止内存溢出

总结

通过本教程，你已经掌握了如何用 C 语言从零构建一个支持网络访问的缓存服务。虽然这是一个简化版，但它涵盖了 C语言分布式缓存 的核心思想：高效内存管理 + 网络通信 + 可扩展架构。希望你能在此基础上继续探索，打造出属于自己的 高性能缓存系统！