缓存的基本知识

在整个计算机体系构造中（无论是硬件层面还是软件层面），缓存都是无处不在的。

在计算机硬件构造中，由于两种介质的速度不匹配，高速介质在和低速介质交互时速度趋向低速方，这就导致了高速介质的资源闲置。而通过引入第三种介质（速度和成本介于两者中间），将低速方读写的部分内容数据保存在该介质中，高速方大多数情况下则无需和低速方直接交互，这样就能整体提升了交互的性能。这就是计算机体系中缓存的由来。比较典型的就是CPU缓存（CPU寄存器=>L1 cahce =>L2 cache =>内存=>硬盘），如图：

 

在计算机系统和应用软件层面，缓存更是无处不在。我们在使用浏览器上网时，很多静态资源会被缓存到本地。我们在手机上采用微信聊天时，很多好友的头像等数据会被缓存到手机中。在操作系统层面，I/O操作也会被内核缓存（一般将数据缓存在文件系统的缓存页中），当然，这个可能相比前两个场景更加抽象，但缓存的目的都是一致的，为了提升读写性能。

 

缓存在狭义上解决介质读写速度不匹配问题，广义上包括任何利用中间媒介提高速度的方法，包括：空间换时间，动态操作变为静态操作。

 

缓存（CACHE）和缓冲（BUFFER）

缓存：可以共享，多种数据，大小不固定，可以重复使用，已知数据，用于提高IO效率。

缓冲：不可以共享，单一数据，大小固定，读取后失效，命中100%，未知数据，用于减少IO次数。

缓存的属性

命中率：从缓存中返回正确数据的次数/总请求次数。

容量：超过这个值启用一定的策略：转移到磁盘；转移到远端；清空部分。

存储介质：内存、磁盘。

成本：开发成本、部署成本、硬件成本。

效率：SET效率、GET效率、序列化、哈希算法、分布式算法。

缓存的限制

由于价格的因素，缓存实现依赖的存储往往有大小限制——保存什么，舍弃什么，命中率。

缓存往往是从无到有的——在最初阶段不能发挥作用，在不命中的时候性能颠簸。

 

缓存的分类

按照存储介质来分 ：

内存（网站进程内、同服务器独立进程、独立服务器、分布式服务器组）。

磁盘（本地文件和数据库，独立服务器、分布式服务器组）。

缓存可以使用磁盘而不仅仅是内存。

按照存储的数据来分 ：

直接用于输出的整页（HTML、脚本样式、图片）。

片段页（可供多个客户端使用的HTML、脚本样式等）。

索引和聚合数据（空间换时间）。

耗时查询的结果数据。

和业务相关的大块数据（列表数据，引用数据）。

和业务相关的小级数据（行级数据，资源数据）。

和上下文（用户）相关的数据（活动数据）。

按照实现方式来分 ：

框架或引擎内置的缓存（比如ORM缓存和SQL SERVER缓存）。

安装特定的组件根据规则自动实现缓存（比如反向代理和输出缓存）。

需要由开发以编程方式实现的缓存（比如业务数据缓存）。

按照作用来分 ：

用于数据的读取（之后介绍的大部分内容都是基于此类缓存）

用于（允许丢失）数据的写入——写到缓存的队列中，再由工作线程提交处理（写入存储）

 

网站架构中的缓存

浏览器缓存（HTTP缓存头）

代理缓存（Squid Vanish CDN）

Web服务器缓存（内核缓存、应用缓存）

页面输出缓存（片段缓存、整页缓存）

业务数据缓存（本地缓存，分布式缓存）

其它缓存（ORM、数据库、搜索引擎等缓存）

 

缓存的常见模式和策略（过期、更新、清除）

缓存的常见模式：

 

缓存的策略：

缓存的更新策略

A 由获取数据请求触发的被动更新

B 由更新数据请求触发的主动更新（双写）

C 使用独立线程主动定时更新缓存

D 回调方式更新（过期或依赖）

E 永远不更新？

  

缓存的过期（失效）策略

F 绝对的过期时间

G 平滑过期（有人使用就不会过期）

H 依赖方式（依赖数据库、依赖文件）

I 永远不过期？

缓存的清除（替换）策略：

RAND 删除随机数据，不能反映局部性。

SIZE 删除最大的数据。

FIFO，First In First Out 删除最先进入缓存的数据，不能反映局部性。

LFU，Least Frequently Used 删除一直以来最少被使用的数据。

LRU，Least Recently Used 删除最近最少使用的数据。

常见模式

延迟加载方式：A+F

预加载方式：B/C/E+I