仔細觀察一下我們現(xiàn)有的系統(tǒng)，小到一顆CPU，大到一個在線交易系統(tǒng)。任何性能問題都可以通過一種方式有效的解決，這種方式就是緩存。不錯，緩存幾乎可以成為解決性能問題的銀彈，百發(fā)百中。緩存的主要目的是降低數(shù)據(jù)訪問延時，實現(xiàn)手段多種多樣，下面對不同種類的緩存進行介紹。

CPU的緩存

能想到的最小粒度的緩存恐怕就是CPU的緩存了。CPU不但有緩存，而且將緩存分成了多種級別，如圖1所示，分別是L1、L2和L3 3級緩存。其中L1和L2是一個核心獨享的緩存，而L3是同一顆CPU內(nèi)的多個核心共享的。圖1架構是目前CPU中最常見的架構，而CPU關于緩存的架構細節(jié)比這個還要復雜。多數(shù)CPU是將緩存分為指令緩存和數(shù)據(jù)緩存2中類型的緩存，有些還有一種稱為TLB(translation lookaside buffer)的緩存，用于實現(xiàn)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的快速轉換。

圖1 CPU緩存架構

CPU并非生而就有緩存，以Intel的CPU為例，其在1992年才在386 CPU中引入L1 Cache。而L3Cache的引入則到2008年才在Core i3中引入。如圖2是不同存儲類型訪問時延的差異，以寄存器訪問為1個時間單位，那么內(nèi)存的訪問在100單位左右。也就是說，內(nèi)存的訪問延時是寄存器的100倍。

圖2 不同存儲訪問性能對比

基于上述原因，在新一代的CPU設計當中增加了緩存模塊，其目的就是降低訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)的時延。使用Cache提升性能的原理在于數(shù)據(jù)訪問的局部性特點，分別是區(qū)域局部性和時間局部性。

• Spatial Locality：對于剛被訪問的數(shù)據(jù)，其相鄰的數(shù)據(jù)在將來被訪問的概率高。
• Temporal Locality：對于剛被訪問的數(shù)據(jù)，其本身在將來被訪問的概率高。

操作系統(tǒng)緩存

在操作系統(tǒng)層面很多地方都用到了緩存。而操作系統(tǒng)緩存的原理與CPU緩存基本一致，也就2個局部特性。在操作系統(tǒng)中***的緩存恐怕就是文件系統(tǒng)的頁緩存了吧。同樣參考一下圖2，可以看到訪問磁盤的時延是內(nèi)存時延的10萬倍，因此Linux操作系統(tǒng)中所有文件系統(tǒng)都采用緩存來提升其讀寫性能。

除了上面內(nèi)存訪問性能與磁盤訪問性能的差異因素外，另外一個因素是機械磁盤隨機訪問與順序訪問的性能差異。以企業(yè)級SATA磁盤為例，隨機寫的帶寬不到1MB/s，而順序寫可以輕松的達到100MB/s，差異多達100倍。產(chǎn)生如此大差異的原因主要是機械磁盤讀寫數(shù)據(jù)需要尋址，尋址所消耗的時間占整個請求時間的比例很大。

鑒于上述2個因素的考量，大多數(shù)文件系統(tǒng)都實現(xiàn)了基于內(nèi)存的緩存。這樣，用戶對于文件系統(tǒng)的訪問性能得到了大幅的提升。緩存的主要從兩方面提升訪問文件系統(tǒng)的性能，一方面是降低對磁盤的直接訪問，另外一個方面是將對磁盤的隨機訪問盡量轉換為順序訪問。

對于***個方面，文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入緩存后即認為數(shù)據(jù)寫入成功，向上層返回結果。由于訪問內(nèi)存的性能是訪問磁盤性能的10萬倍。因此，性能自然可以得到極大的提升。如圖3所示的上半部分邏輯，寫請求依次將數(shù)據(jù)寫入緩存中。對于讀請求也有類似的處理，文件系統(tǒng)中稱為預讀，也就是將數(shù)據(jù)提前讀取到緩存，從而降低訪問磁盤的頻度。

圖3 文件系統(tǒng)頁緩存

對于第二個方面，由于緩存的存在，當從緩存向磁盤刷寫數(shù)據(jù)的時候以數(shù)據(jù)的LBA進行排序。這樣能夠降低機械磁盤尋道的時間消耗比例，進而提升系統(tǒng)整體的性能。

Web前端的緩存

在大系統(tǒng)層面我們以Web應用為例介紹從前端到后端的緩存技術。這主要是因為在Web開發(fā)領域緩存的應用最為廣泛，非常方便我們了解問題。緩存的技術領域很廣泛，技術的難度也很深，本文無法面面俱到，只是拋磚引玉。

熟悉前端開發(fā)的同學都清楚，一個網(wǎng)站除了動態(tài)的內(nèi)容外，還有很多圖片、JS腳本和CSS樣表等內(nèi)容。而圖片、JS腳本和CSS等內(nèi)容一方面量比較大，另外一方面很少變化，除非網(wǎng)站升級。鑒于上述原因，我們是否可以將這些內(nèi)容緩存到用戶的本地磁盤，這樣當用戶再次訪問網(wǎng)站是就可以直接從本地磁盤加載這些內(nèi)容，而不需要從經(jīng)過浩瀚的網(wǎng)絡。

圖4 瀏覽器頁面請求

實質上瀏覽器已經(jīng)具備該功能，準確的說不是瀏覽器，而是HTTP協(xié)議。如圖我們打開瀏覽器的調(diào)試工具，可以看到請求網(wǎng)頁的很多內(nèi)容并不會從服務器請求，而是從本地磁盤或者內(nèi)存獲取。如圖4是請求某個網(wǎng)站頁面時部分內(nèi)容的情況?？梢钥吹胶艽笠徊糠植⒎菑姆掌鳙@取。

圖5 Web瀏覽器緩存處理流程

從本地獲取有2個非常明顯的好處，一個是頁面的響應時間很快，另外一個是Web服務器的壓力得到有很大的降低。

在HTTP中是通過其響應消息頭來確定是否使用緩存中的內(nèi)容的，這個消息頭就是Cache-control，當然還要其它一些字段的配合。整個緩存處理的流程還是比較復雜的，需要根據(jù)不同的字段作出判斷，以便確定從哪里獲取內(nèi)容。如圖是整個瀏覽器的處理流程。

圖6是通過瀏覽器的調(diào)試工具截獲的某東主頁的一個圖片的響應頭內(nèi)容，從圖中可以看出里面包含了緩存控制相關的內(nèi)容。

圖6 Web緩存的HTTP協(xié)議

瀏覽器緩存的內(nèi)容博大精深，很難在本篇文章中解釋完全。如果大家想深入的了解這方面的內(nèi)容，本號推薦大家看看《HTTP權威指南》，理解解釋的非常詳細。

訪問鏈路層面

在Web領域一個請求的鏈路可能會非常長，比如我們訪問一個美國的網(wǎng)站，整個通信鏈路會跨越整個太平洋，距離近2萬公里。即使是陽光也要跑幾十毫秒才能完成這段里程，而網(wǎng)絡需要經(jīng)過各種中繼設備，耗時將近200ms。試想，一個網(wǎng)頁通常有上百個元素組成(例如圖片，js腳本等)，這樣在中國打開一個美國的網(wǎng)站將消耗多少時間?

解決上述問題最為有效的技術就是CDN(Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡)技術，該技術通過分部在離最終用戶比較近的邊緣服務器提供更快的服務。以上文網(wǎng)站為例，當用戶從中國訪問美國的網(wǎng)站時，會先從國內(nèi)的CDN節(jié)點獲取內(nèi)容，如果沒有才會從美國的源服務器獲取內(nèi)容。因為大部分內(nèi)容都可以從國內(nèi)獲取，免去了跨越大洋造成的網(wǎng)絡延時。

圖7 CDN示意圖

圖7是一個CDN的示意圖，其中ORIGINAL SERVER就是源服務器，而EDGE SERVER就是邊緣服務器。從圖中可以看出，終端用戶的訪問路徑。

Web后端的緩存

對于Web服務來說，通常通過關系型數(shù)據(jù)來存儲數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通常存儲在磁盤中。在高負載場景下數(shù)據(jù)庫往往會成為性能瓶頸。因此，為了提高整個服務的承載能力，往往在業(yè)務服務器和數(shù)據(jù)庫之間添加一個緩存服務。這個緩存服務的原理其實與上述的CPU緩存或者文件系統(tǒng)緩存有異曲同工之妙。

由于對于一個Web服務來說，80%以上的請求都是讀請求，Web緩存的設計也正是基于這樣一個事實。這些數(shù)據(jù)完全可以緩存到內(nèi)存中，從而減少數(shù)據(jù)庫訪問的負載。由于緩存承載了絕大多數(shù)的讀請求，因此整個數(shù)據(jù)庫的負載也得到很大的降低。

圖8 Web服務緩存

如圖8是使用Redis緩存的Web服務架構，本文只是一個簡化的架構，實際架構要復雜的多(需要考慮可靠性和承載能力等)。在本架構中業(yè)務服務器會根據(jù)請求類型優(yōu)先訪問緩存，并根據(jù)策略更新緩存內(nèi)容。目前使用最多的緩存應該是Redis緩存，大家可以深入了解一下。

本文從微觀到宏觀，從不同的層面介紹了緩存在提升系統(tǒng)性能方面的應用。當然，緩存的應用領域比本文涉及的還要多得多。這里只是一個引子，希望大家能夠得到一些啟發(fā)，為自己系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供一些思路。