老曹眼中的缓存技术

Cache: a collection of data duplicating original values stored elsewhere on a computer, usually for easier access—— 维基百科

缓存是系统快速响应中的一种关键技术,是一组被保存起来以备将来使用的东西,介于应用开发和系统开发之间,是产品经理们经常顾及不到的地方,算是技术架构中的非功能性约束吧。

也就是说,缓存是系统调优时常用且行之有效的手段,无论从操作系统还是应用系统,缓存策略无处不在。

很多技术都打着缓存的旗号,所以谈起缓存往往似是而非,与语境有着紧密的关系,换个说法,来看一看缓存在不同场景的分类。

客户端缓存

浏览器的缓存可以将之前渲染的页面保存为文件,当用户再次访问时可用避开网络连接,从而减少负载。现在的HTML5支持了本地存储,大部分BS 应用都可以举重若轻了。

如何把客户端缓存对于业务组件透明和客户端缓存数据及时更新,是客户端缓存能否成功应用的关键。

客户端可以将内容缓存在内存,文件,或本地数据库(例如Sqlite)中。

例如,iOS 的图片缓存框架SDWeb架构如下:

web代理

web 代理的作用跟浏览器的内置缓存类似,只是位于浏览器和互联网之间,网络请求通过代理来中继。对于企业而言,即可以节省成本,又能提高性能。

对于Web代理而言,曾经流行的是Squid,它支持建立复杂缓存层级结构的能力,详细的日志、高性能缓存以及用户认证支持。Squid同时支持各种插件,例如Squid Guard就是一个提供URL过滤的插件,对于屏蔽某些站点和内容十分有用。如果想分析Squid的各种指标,webalizer 应该是个不错的选择。

Squid 的内部机制如下:

边缘缓存

边缘缓存位于应用服务器的前面,可以处理来自不同用户的请求,主要用于向用户提供静态的内容,以减少应用服务器的介入。边缘缓存的商业化服务就是CDN了,例如AWS 的Cloud Front,我国的ChinaCache等。

边缘缓存的一个有名的开源工具就是varnish,在默认情况下进行保守缓存。也就是说,varnish 只缓存它所知的安全内容。varnish的一个特性是使用虚拟内存,精妙之处在于利用了操作系统的管理机制。varnish可以高度定制如何处理请求,缓存哪些内容。

Varnish 的内部机制如下:

详情参见www.varnish-cache.org。

平台缓存

平台缓存是用来写应用的框架,或者缓存的专用库(如PHP中的Smarty模版库)。

Java 语言中,缓存框架更多,例如EHcache,Cacheonix,Voldemort,JBoss Cache等等。

看一下EHcache的系统结构结构:

Ehcache是一个Java实现的开源分布式缓存框架,可以让数据保存在不同服务器的内存中,在需要数据的时候可以快速存取。通过声明配置、在xml中配置、在程序里配置或者调用构造方法时传入不同的参数。

Voldemort是一款基于Java开发的分布式键-值缓存系统,像JBoss Cache一样,Voldemort同样支持多台服务器之间的缓存同步,以增强系统的可靠性和读取性能。

简单来说,就平台级缓存而言,只需要在框架侧配置一下属性即可,而不需要调用特定的方法或函数。

应用缓存

应用级缓存,需要自己通过代码来实现缓存。这里是NoSQL的胜场,不论是Redis 还是MongoDB,都可以作为应用缓存的工具。一个典型的方式是,每分钟或一段时间后统一生成某类页面存储在缓存中,也可以在热数据变化时更新缓存。

Redis 在应用级缓存中的作用举足轻重,新浪微博有着几乎世界上最大的redis 集群。 Redis支持主从同步。数据可以从主服务器向任意数量的从服务器上同步,从服务器可以是关联其他从服务器的主服务器。这使得Redis可执行单层树复制。存盘可以有意无意的对数据进行写操作。由于完全实现了发布/订阅机制,使得从数据库在任何地方同步树时,可订阅一个频道并接收主服务器完整的消息发布记录。同步对读取操作的可扩展性和数据冗余很有帮助。

Redis 的客户端编程语言众多,可以满足绝大多数的应用。

数据库缓存

数据库缓存是一类特殊的缓存。大多数数据库不需要配置就可以快速运行,但并没有为特定的需求进行优化。在数据库调优的时候,缓存优化是一项很重要的工作。

以MySQL为例,MySQL中使用了查询缓冲机制,将SELECT语句和查询结果存放在缓冲区中,以后对于同样的SELECT语句,将直接从缓冲区中读取结果,以节省查询时间,提高了SQL查询的效率。

通过调节以下几个参数可以知道query_cache_size设置得是否合理:

  • Qcache inserts
  • Qcache hits
  • Qcache lowmem prunes
  • Qcache free blocks
  • Qcache total blocks

当然,深入数据库还有很多值得学习的地方。

缓存的协议支持

对web应用而言,http1.0 提供了一些很基本的缓存特性,例如在服务器侧设置Expires 的http头来告诉客户端在重新请求文件之前缓存多久是安全的,可以通过if-modified-since 的条件请求来使用缓存。其中,发送的时间是文件最初被下载的时间,而不是即将过期的时间,如果文件没有改变,服务器可以用304-Not Modified 来应答。客户端收到304代码,就可以使用缓存的文件版本了。客户端可以设置Pragma:no-cache从服务器之间获取内容。

Http 1.1有了较大的增强,缓存系统被形式化了,引入了实体标签e-tags,是文件或对象的唯一标识。这意味着可以请求一个资源、提供所持有的文件,然后询问服务器这个文件是否有变化。如果某一个文件的e-tag 是有效的,服务器会生成304-Not Modified 应答,并提供正确文件的e-tag,否则,发送200-OK应答。以浏览器为例的示意图如下:

关于HTTP2.0中有关缓存的技术,还有待研究。

总而言之,缓存——cache,是一种挺复杂的技术,除了应用场景之外,更进一步,还要理解命中,Cache Miss,存储成本,索引成本,失效,替代策略等诸多概念,进而了解缓存算法,分布式缓存及其同步,多级缓存的设计......真正的掌握缓存技术。

原文发布于微信公众号 - 喔家ArchiSelf(wireless_com)

原文发表时间:2016-10-07

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