分布式系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)——360°全方位解讀「緩存」

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堅(jiān)持原創(chuàng)，每一篇都是用心之作～

此前的「伸縮性」章節(jié)結(jié)束了，此文是「高性能」章節(jié)的第一篇。

只要是位正兒八經(jīng)的程序員自然知道「緩存」是什么，甚至我司的很多做運(yùn)營(yíng)的×××姐現(xiàn)在和程序員小哥哥的交流中都時(shí)不時(shí)冒出「緩存」字眼，讓人壓力山大。（本文討論的「緩存」皆指的是軟件層面運(yùn)用的緩存）

大家都知道的一點(diǎn)是，緩存可以讓原本打開很慢的頁面，變得能“秒開”。你平時(shí)訪問的APP、網(wǎng)站幾乎都有涉及到緩存的運(yùn)用。

那么，緩存除了能加速數(shù)據(jù)的訪問之外，還有什么作用呢？

另外，任何事物都有兩面性，我們?nèi)绾尾拍軐⒕彺娴膬?yōu)點(diǎn)發(fā)揮得淋淋盡致，同時(shí)避免掉到它的弊端中呢？

Z哥今天想分享給你的就是我對(duì)緩存的理解和運(yùn)用的思路，希望對(duì)你有所啟發(fā)。

「緩存」能做什么？

正如前面所說，大家最普遍的理解就是當(dāng)我們遇到某個(gè)頁面打開很慢的時(shí)候，會(huì)想到引入緩存，這樣頁面打開就快了。

其實(shí)快和慢都是相對(duì)的，從技術(shù)角度來說，緩存之所以快是因?yàn)榫彺媸腔趦?nèi)存去建立的，而內(nèi)存的讀寫速度比硬盤快X倍，所以用內(nèi)存來代替硬盤作為讀寫的介質(zhì)自然能大大提高訪問數(shù)據(jù)的速度。

這個(gè)過程大致是這樣的，通過在內(nèi)存中存儲(chǔ)訪被問過的數(shù)據(jù)供后續(xù)訪問時(shí)使用，以此來達(dá)到提速的效果。

其實(shí)除此之外，緩存還有另外2個(gè)重要的運(yùn)用方式，「預(yù)讀取」和「延遲寫」。

預(yù)讀取

預(yù)讀取就是預(yù)先讀取將要載入的數(shù)據(jù)，也可以稱作「緩存預(yù)熱」。就是在系統(tǒng)對(duì)外提供服務(wù)之前，先將硬盤中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，然后再對(duì)外提供服務(wù)。

為什么要這樣做呢？因?yàn)橛行┫到y(tǒng)一旦啟動(dòng)就要面臨上千上萬的請(qǐng)求進(jìn)來（在一些toC的項(xiàng)目尤其如此），如果直接讓這些請(qǐng)求打到數(shù)據(jù)庫(kù)上，非常大的可能是數(shù)據(jù)庫(kù)壓力暴增，直接被干趴，無法正常響應(yīng)。

為了緩解這個(gè)問題，需要通過「預(yù)讀取」來解決。

可能你會(huì)問，哪怕用了緩存還是扛不住呢？那就是做橫向擴(kuò)展+負(fù)載均衡的時(shí)候到了。（可以點(diǎn)擊文末鏈接閱讀之前的《彈性架構(gòu)》系列）

如果說「預(yù)讀取」是在「數(shù)據(jù)出口」加了一道前置的緩沖區(qū)的話，那么顧名思義，下面要說的「延遲寫」就是在「數(shù)據(jù)入口」后面加了一道后置的緩沖區(qū)。

延遲寫

你可能知道，數(shù)據(jù)庫(kù)的寫入速度是慢于讀取速度的，因?yàn)閷懭氲臅r(shí)候有一系列的保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的機(jī)制。

所以，如果想提升寫入速度的話，要么做分庫(kù)分表，要么就是通過緩存來進(jìn)行一道緩沖，再一次性批量寫到磁盤，以此來提速。

題外話：由于分庫(kù)分表對(duì)跨表操作以及多條件組合查詢的副作用巨大，所以引入它的復(fù)雜度遠(yuǎn)大于引入緩存，我們應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮引入緩存的方案。

那么，通過緩存機(jī)制來加速“寫”的過程就可以稱作「延遲寫」。就是預(yù)先將需要寫入到磁盤或者數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，先暫時(shí)寫入到內(nèi)存，然后就返回成功。再定時(shí)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)批量寫入到磁盤。

可能你會(huì)想，寫到內(nèi)存就認(rèn)為成功，萬一中途出現(xiàn)意外、斷電、停機(jī)等導(dǎo)致程序異常終止的情況，數(shù)據(jù)不就丟了嗎？ 

是的。所以，「延遲寫」一般僅用于對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求不是那么苛刻的場(chǎng)景。比如點(diǎn)贊數(shù)啊、參與用戶數(shù)啊等等，可以大大緩解對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)頻繁修改所帶來的壓力。

其實(shí)在我們熟知的分布式緩存Redis中，其默認(rèn)運(yùn)用的持久化機(jī)制——RDB，也是這樣的思路。

在一個(gè)成熟的系統(tǒng)中，能夠運(yùn)用到緩存的地方其實(shí)并不是一處。下面Z哥就來幫你梳理一下我們?cè)谀男┑胤娇梢浴凹泳彺妗薄?/p>

哪里可以加「緩存」？

在說哪里可以加緩存之前我們先搞清楚一個(gè)事情，我們要緩存什么？也就是符合什么特點(diǎn)的數(shù)據(jù)才需要加緩存？畢竟加緩存是一個(gè)額外的成本投入，得物有所值。

一般來說你可以用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷：熱點(diǎn)（被高頻訪問，如幾十次/秒以上）數(shù)據(jù)、靜態(tài)（很少變化，讀遠(yuǎn)大于寫，如幾天變更一次）數(shù)據(jù)。

接下去就可以替它們找到合適的地方加緩存了。

緩存的本質(zhì)是一個(gè)“防御性”的機(jī)制，而系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)是一個(gè)有序的過程。所以，選擇在哪里加緩存就相當(dāng)于選擇在一條馬路的哪個(gè)位置設(shè)路障。在這個(gè)路障之后的道路都能受到保護(hù)，不被車流碾壓。

那么在以終端用戶為起點(diǎn)，系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)庫(kù)為終點(diǎn)的這條道路上可以作為緩存設(shè)立點(diǎn)的位置大致有以下這些。

每個(gè)設(shè)立點(diǎn)可以擋掉一些流量，最終形成一個(gè)漏斗狀的攔截效果，以此保護(hù)最后面的系統(tǒng)以及最終的數(shù)據(jù)庫(kù)。

下面Z哥來簡(jiǎn)要描述下每一個(gè)的運(yùn)用場(chǎng)景以及需要注意的點(diǎn)。

瀏覽器緩存

這是離用戶最近的可以作為緩存的地方，而且借助的是用戶的“資源”（緩存的數(shù)據(jù)在用戶的終端設(shè)備上），性價(jià)比可謂最好，讓用戶幫你分擔(dān)壓力。

當(dāng)你打開瀏覽器的開發(fā)者工具，看到from cache或者from memory cache、from disk cache的時(shí)候，就意味著這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被緩存在了用戶的終端設(shè)備上了（沒網(wǎng)的時(shí)候也能訪問到一部分內(nèi)容就是這個(gè)原因）。

這個(gè)過程是瀏覽器替我們完成的，一般用于緩存圖片、js、css這些。我們可以通過Http消息頭中的Cache-Control來控制它，具體細(xì)節(jié)這里就不展開了。

js里的全局變量、以及cookie等運(yùn)用也屬于該范疇。

瀏覽器緩存是在于用戶側(cè)的緩存點(diǎn)，所以我們對(duì)其的掌控力就差很多，在沒有發(fā)起新請(qǐng)求的情況下，你無法主動(dòng)去更新數(shù)據(jù)。

CDN緩存

提供CDN服務(wù)的服務(wù)商，在全國(guó)甚至是全球部署著大量的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)（可以叫做「邊緣服務(wù)器」）。

那么將數(shù)據(jù)分發(fā)到這些遍布各地服務(wù)器上作為緩存，讓用戶訪問就近的服務(wù)器上的緩存數(shù)據(jù)，就可以起到壓力分?jǐn)偤图铀傩Ч?。這在ToC類型的系統(tǒng)上運(yùn)用，效果格外顯著。

但是需要注意的是，由于節(jié)點(diǎn)眾多，更新緩存數(shù)據(jù)比較緩慢，一般至少是分鐘級(jí)別。所以一般僅適用于不經(jīng)常變動(dòng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

題外話：解決方式也是有的，就是在url后面帶個(gè)自增數(shù)或者唯一標(biāo)示，如?v=1001。因?yàn)椴煌膗rl會(huì)被視作“新”的數(shù)據(jù)和文件，被重新create出來。

網(wǎng)關(guān)（代理）緩存

到這里做緩存就是在你自己的地盤了。很多時(shí)候我們會(huì)在源站前面架一層網(wǎng)關(guān)（或者說反向代理、正向代理），為的是做一些安全機(jī)制或者統(tǒng)一分流策略的入口。

同時(shí)這里也是做緩存的一個(gè)好場(chǎng)所。畢竟網(wǎng)關(guān)是“業(yè)務(wù)無關(guān)性”的，它能夠攔下來的請(qǐng)求，對(duì)背后的源站也是很大的受益，減少了大量的CPU運(yùn)算。

常用的網(wǎng)關(guān)（代理）緩存有Varnish，Squid，Ngnix。一般情況下，簡(jiǎn)單的緩存運(yùn)用場(chǎng)景，用nginx即可，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)候我們會(huì)用它來做負(fù)載均衡，能少引入一個(gè)技術(shù)就少一份復(fù)雜度嘛。如果是大量的小文件可以使用Varnish，而Squid則相對(duì)大而全，運(yùn)用成本也更高一些。

進(jìn)程內(nèi)緩存

一個(gè)請(qǐng)求能走到這里說明他是“業(yè)務(wù)相關(guān)”的，需要經(jīng)過業(yè)務(wù)邏輯的運(yùn)算。

也正因?yàn)槿绱耍瑥倪@里開始對(duì)緩存的引入成本比前面3種大大增加，因?yàn)閷?duì)緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的「數(shù)據(jù)一致性」要求更高了。

可能我們大多數(shù)程序員第一次刻意使用緩存的場(chǎng)景就是這個(gè)時(shí)候。進(jìn)程內(nèi)和進(jìn)程外的緩存運(yùn)用中有很多的細(xì)節(jié)需要注意，這些也是我們后續(xù)文章的內(nèi)容，所以我們后續(xù)再詳聊。

進(jìn)程外緩存

這個(gè)大家也熟悉，就是redis、memcached之類，甚至也可以自己?jiǎn)为?dú)寫一個(gè)程序來專門存放緩存數(shù)據(jù)，供其他程序遠(yuǎn)程調(diào)用。

同樣，這里的細(xì)節(jié)我們后續(xù)再聊，這里先多說幾句關(guān)于redis和memcached該怎么選擇的建議。

對(duì)資源（cpu、內(nèi)存等）利用率格外重視的話可以使用Memcached，但程序在使用的時(shí)候需要容忍可能發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失，因?yàn)槭羌儍?nèi)存的機(jī)制。如果無法容忍這點(diǎn)，并且對(duì)資源利用率也比較豪放的話可以使用redis。而且redis的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)更多，Memcached只有key value，更像是一個(gè)nosql存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫(kù)緩存

數(shù)據(jù)庫(kù)本身自帶緩存模塊的，否則也不會(huì)叫它內(nèi)存殺手，基本上你給多少內(nèi)存就能吃多少。

數(shù)據(jù)庫(kù)緩存是數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部機(jī)制，我們這里就不深入下去了。一般都會(huì)給出設(shè)置緩存空間大小的配置來讓你進(jìn)行干預(yù)。

最后，其實(shí)磁盤本身也有緩存。所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)，為了讓數(shù)據(jù)能夠平穩(wěn)的寫到物理磁盤中真的是一波三折，不知道什么時(shí)候可以有“快”到不需要程序來考慮緩存的磁盤出現(xiàn)來拯救我們程序員呢。

「緩存」是Silver bullet嗎？

可能你會(huì)想緩存那么好，那么應(yīng)該×××，只要慢就上緩存來解決？

一個(gè)事物看上去再好，也有它負(fù)面的一面。緩存也有一系列的副作用需要考慮。除了上面提到的「緩存更新」和「緩存與數(shù)據(jù)的一致性」問題，還有諸如：

1. 緩存雪崩

2. 緩存穿透

3. 緩存并發(fā)

4. 緩存無底洞

5. 緩存淘汰

6. ...

等等問題，這些Z哥會(huì)在接下去的文章中和你一起深入剖析。

想第一時(shí)間了解這些的可以「關(guān)注」Z哥一波～

總結(jié)

好了，我們總結(jié)一下。

這次呢，Z哥先向你介紹了運(yùn)用緩存的三種思路。

然后梳理了在一個(gè)完整的系統(tǒng)中可以設(shè)立緩存的幾個(gè)位置，并且分享了關(guān)于瀏覽器緩存、CDN緩存、網(wǎng)關(guān)（代理）緩存的一些使用經(jīng)驗(yàn)。

希望對(duì)你有所啟發(fā)。

后續(xù)的文章我將著重深入「進(jìn)程內(nèi)緩存」和「進(jìn)程外緩存」的最佳實(shí)踐，等我再次出現(xiàn)。

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作者：Zachary

出處：https://www.cnblogs.com/Zachary-Fan/p/cache.html

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