本文總結(jié)前期某個系統(tǒng)中使用到的緩存使用經(jīng)驗---僅此而已，效果還不錯。

緩存技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中扮演著至關(guān)重要的角色，它不僅可以顯著提高系統(tǒng)的性能，還可以改善用戶體驗。在本文章中，我們將探討不同類型的緩存、緩存失效以及緩存淘汰等關(guān)鍵概念，幫助在后期的架構(gòu)設(shè)計中更好地理解如何利用緩存來優(yōu)化你的系統(tǒng)。

一、緩存類型

緩存的類型有很多種，我們來簡單聊聊其中的幾種：

• 應(yīng)用服務(wù)器緩存： 在這種情況下，緩存會被放在應(yīng)用服務(wù)器的請求節(jié)點上，就像是服務(wù)器自己的小本子一樣。每當(dāng)有請求到達這個節(jié)點，它都會先看看自己本地有沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)，如果有，就直接返回這個數(shù)據(jù)，不用再費力去找了。如果本地沒有，那就得去硬盤上找一下，并把找到的數(shù)據(jù)也存起來，以備將來使用。
• 分布式緩存： 在一個大型系統(tǒng)中，有可能有很多請求節(jié)點的實例在一起工作，負載均衡器負責(zé)將請求分散到這些節(jié)點上。問題是，每個節(jié)點都有自己的緩存，如果一個請求到達了一個節(jié)點，而這個請求的響應(yīng)已經(jīng)被其他節(jié)點處理過了，那么這個節(jié)點就會找不到緩存，需要重新查找。這會導(dǎo)致同一個請求被處理多次，浪費資源。解決這個問題的方法就是使用分布式緩存，讓所有的節(jié)點共享一個緩存，這樣就不會重復(fù)計算了。
• 全局緩存： 全局緩存其實就是分布式緩存的一種，它是一個大家都能訪問的共享緩存，不管請求到達哪個節(jié)點，都可以從這個全局緩存中獲取數(shù)據(jù)。這樣就能避免重復(fù)計算，提高系統(tǒng)的性能。
• CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）： CDN是一種將數(shù)據(jù)分布到全球各地的緩存系統(tǒng)。當(dāng)用戶請求某個內(nèi)容時，CDN會將數(shù)據(jù)提供給離用戶最近的服務(wù)器，這樣可以加速訪問速度，減輕源服務(wù)器的負載。CDN通常用于加速靜態(tài)資源如圖片、視頻等的傳輸，讓用戶能夠更快速地獲取這些內(nèi)容。

1、應(yīng)用服務(wù)器緩存

在應(yīng)用程序服務(wù)器中，我們經(jīng)常使用緩存來提高性能。簡單來說，緩存就是將一些數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器的內(nèi)存或磁盤上，以便在需要時快速獲取，而不必每次都從頭開始計算或查詢數(shù)據(jù)庫。

具體來說，應(yīng)用程序服務(wù)器緩存是將緩存放在請求節(jié)點（服務(wù)器）本身上的一種方式。每當(dāng)有請求到達這個服務(wù)器時，它會首先檢查自己的本地緩存，如果能找到對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，就會直接返回給客戶端，避免了重復(fù)計算或者數(shù)據(jù)庫查詢的開銷。如果本地緩存中沒有需要的數(shù)據(jù)，服務(wù)器則會去查詢磁盤或其他數(shù)據(jù)源，并將查詢結(jié)果緩存起來，以備將來使用。

然而，當(dāng)我們處于一個分布式環(huán)境中，有多個實例的同一請求節(jié)點時，會出現(xiàn)一個問題。通常，負載均衡器會將請求分發(fā)到這些不同的節(jié)點上，每個節(jié)點都有自己的本地緩存存儲。這就可能導(dǎo)致一個問題：當(dāng)一個請求到達某個節(jié)點，而該請求的響應(yīng)已經(jīng)被其他節(jié)點處理并緩存時，當(dāng)前節(jié)點會出現(xiàn)緩存未命中的情況。這時，當(dāng)前節(jié)點不得不再次查詢磁盤并將響應(yīng)數(shù)據(jù)存儲在自己的本地緩存中。如果后續(xù)的請求又被分發(fā)到不同的節(jié)點，就會導(dǎo)致同一個請求被多次計算，浪費了資源和時間。

為了解決這個問題，我們可以采取維護一個分布式或全局緩存的方法。這意味著所有的請求節(jié)點共享同一個緩存，不管請求到達哪個節(jié)點，都可以從這個全局緩存中獲取數(shù)據(jù)，避免了重復(fù)計算和減輕了系統(tǒng)負擔(dān)。這種方式可以提高性能，并使系統(tǒng)更加高效。

2、分布式緩存

在分布式緩存中，緩存被分散存儲在多個節(jié)點上，這是為了提高性能和可伸縮性。

為了有效地管理這些分布式緩存節(jié)點，我們使用一種叫做一致性哈希的技術(shù)。一致性哈希的好處是，它讓哈希函數(shù)與多個緩存節(jié)點或?qū)ο螵毩o關(guān)，這意味著我們可以輕松地添加新的緩存節(jié)點到緩存池中，而不必擔(dān)心影響已有的數(shù)據(jù)。

當(dāng)有請求到來時，請求節(jié)點會使用一致性哈希算法來確定在哪個緩存節(jié)點上查找需要的緩存數(shù)據(jù)。這種方法使得我們可以靈活地擴展緩存集群，以容納更多的緩存節(jié)點，從而提高系統(tǒng)的性能和可用性。簡而言之，一致性哈希是分布式緩存中的一項關(guān)鍵技術(shù)，讓我們能夠更好地管理和利用緩存資源。

3、全局緩存：

在全局緩存中，我們只需維護一個全局的緩存，而不是每個請求節(jié)點都有自己的緩存。這樣做的好處是能夠更有效地利用緩存資源。

當(dāng)緩存未命中時，有兩種方式來獲取數(shù)據(jù)：

• Global Cache 查詢磁盤并緩存數(shù)據(jù)： 首先，我們可以從全局緩存查詢數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)在全局緩存中不存在，那么我們就需要去磁盤或其他數(shù)據(jù)源中查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)緩存在全局緩存中，以備將來使用。這種方式是一種主動的數(shù)據(jù)獲取方式。
• 全局緩存調(diào)用請求節(jié)點，然后緩存來自該節(jié)點的響應(yīng)： 另一種方式是通過全局緩存調(diào)用具體的請求節(jié)點，然后將從該節(jié)點獲取到的響應(yīng)數(shù)據(jù)進行緩存。這種方式是一種被動的數(shù)據(jù)獲取方式，只有在需要時才會觸發(fā)。這也意味著我們可以將緩存的數(shù)據(jù)與請求節(jié)點的響應(yīng)關(guān)聯(lián)起來，以提高效率和性能。

總之，在全局緩存中，我們可以選擇不同的方式來處理緩存未命中的情況，具體取決于系統(tǒng)的需求和設(shè)計。這樣的全局緩存策略有助于提高數(shù)據(jù)訪問效率，減少資源浪費。

4、CDN（內(nèi)容分布式網(wǎng)絡(luò)）：

CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）是一個很有用的東西，特別適合在你的網(wǎng)站上有很多靜態(tài)媒體文件的情況下使用。

CDN的工作原理很簡單，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)緩存中沒有用戶請求的內(nèi)容時，它會主動去向后端服務(wù)器請求這些數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)緩存起來，以后再有用戶請求相同的內(nèi)容時，就可以快速地提供服務(wù)，不必再次向后端服務(wù)器請求。

如果系統(tǒng)還不夠大，不需要使用大型CDN服務(wù)，你也可以考慮將靜態(tài)文件托管在類似Nginx這樣的簡單HTTP服務(wù)器上。然后，將DNS托管在CDN服務(wù)中，而不是本地服務(wù)器上。這種方式可以幫助你在未來輕松地進行過渡，逐步擴大系統(tǒng)規(guī)模。簡單說，CDN是一個實用的解決方案，可以幫助提升網(wǎng)站性能和用戶體驗。

二、緩存失效

緩存失效是確保緩存與數(shù)據(jù)源（通常是數(shù)據(jù)庫）保持一致的重要策略。當(dāng)數(shù)據(jù)源最近發(fā)生寫操作時，我們需要確保緩存中的數(shù)據(jù)也跟得上變化。

有幾種緩存失效的方式：

• 同時寫入緩存和數(shù)據(jù)庫： 在這個方案中，數(shù)據(jù)會同時寫入緩存和數(shù)據(jù)庫。這樣做的好處是，即使系統(tǒng)崩潰、電源故障或其他系統(tǒng)中斷，數(shù)據(jù)都不會丟失，因為它已經(jīng)被保存在了緩存和數(shù)據(jù)庫中。但是，當(dāng)有大量寫入操作時，同時在緩存和數(shù)據(jù)庫中更新數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致延遲問題。
• 繞過緩存寫入： 這個方案中，數(shù)據(jù)直接寫入永久存儲，而不經(jīng)過緩存。這有助于避免寫入操作淹沒緩存的問題，但最近的寫入可能會導(dǎo)致緩存未命中，需要請求節(jié)點去查詢永久存儲并緩存響應(yīng)。
• 回寫式緩存： 在這個方案中，寫入操作首先完成到緩存中，然后立即向客戶端確認完成。隨后，經(jīng)過一定的時間間隔，數(shù)據(jù)再更新到永久存儲中。這種方式適用于寫入密集型應(yīng)用程序，它能提供高吞吐量和低延遲。但缺點是如果系統(tǒng)發(fā)生故障或其他不良事件，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

選擇哪種緩存失效策略通常取決于你的應(yīng)用需求和對數(shù)據(jù)一致性和可靠性的要求。不同的應(yīng)用場景可能需要不同的策略來平衡性能和數(shù)據(jù)保護。

三、緩存淘汰(Cache Eviction)

當(dāng)緩存達到容量上限時，需要清理緩存以騰出空間，以便存放新的數(shù)據(jù)。

有多種緩存清理策略：

• FIFO（先進先出）： 這個策略會優(yōu)先清理最早進入緩存的數(shù)據(jù)，而不考慮它們被訪問的頻率。
• LIFO（后進后出）： 與FIFO相反，這個策略會優(yōu)先清理最晚進入緩存的數(shù)據(jù)，也不考慮它們的訪問頻率。
• LRU（最近最少使用）： LRU策略選擇清理最長時間未被訪問的緩存數(shù)據(jù)，確保緩存中保留最近被頻繁訪問的數(shù)據(jù)。
• MRU（最近使用）： 與LRU相反，MRU策略會清理最近被使用的緩存數(shù)據(jù)，而不考慮它們的訪問頻率。
• LFU（最不常用）： LFU策略維護了緩存數(shù)據(jù)被訪問的頻率，然后選擇清理其中使用最少的數(shù)據(jù)。
• 隨機替換： 這種策略隨機選擇一個緩存項，并在需要時將其清除以騰出空間。

選擇哪種清理策略通常取決于你的應(yīng)用需求和性能要求。不同的策略適用于不同的場景，幫助你在緩存滿時有效地管理和清理數(shù)據(jù)。