緩存（Cache）策略在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它們決定了數(shù)據(jù)如何在存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)中流動(dòng)和被管理，緩存策略的選擇可以顯著影響系統(tǒng)的性能、可靠性和復(fù)雜性。這篇文章，我們來分析 6種常見的緩存策略：

• Read Through（讀取穿透）
• Cache Aside（緩存旁路）
• Write Through（直寫）
• Write Around（繞過緩存寫）
• Write Back（回寫）
• Refresh-ahead（預(yù)刷新）

Read Through

Read Through緩存策略是一種同步讀取策略，在這種策略中，當(dāng)應(yīng)用程序需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先查詢緩存，如果緩存中沒有所需的數(shù)據(jù)（即緩存未命中），緩存系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如數(shù)據(jù)庫）中讀取數(shù)據(jù)，并將其存入緩存中，然后返回給應(yīng)用程序。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 簡化應(yīng)用邏輯：應(yīng)用程序不需要處理緩存未命中的情況，緩存系統(tǒng)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)加載。
• 數(shù)據(jù)一致性：由于緩存系統(tǒng)直接從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)，確保了緩存中的數(shù)據(jù)是最新的。

缺點(diǎn)：

• 初次訪問延遲：如果緩存未命中，讀取操作會(huì)有一定的延遲，因?yàn)樾枰獜牡讓哟鎯?chǔ)中獲取數(shù)據(jù)。
• 緩存填充開銷：每次緩存未命中時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致底層存儲(chǔ)的訪問，這可能會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)載。

適用場景：

• 適用于讀操作頻繁且讀一致性要求較高的場景。
• 在數(shù)據(jù)更新頻率較低的情況下，Read Through可以有效減少應(yīng)用程序的復(fù)雜性。

Cache Aside

Cache Aside（也稱為Lazy Loading或Lazy Caching）策略要求應(yīng)用程序顯式地管理緩存。應(yīng)用程序首先檢查緩存，如果未命中，則從底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中讀取數(shù)據(jù)，并將其放入緩存中供下次使用。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 靈活性高：應(yīng)用程序可以根據(jù)具體需求決定何時(shí)加載和更新緩存。
• 緩存命中率高：由于應(yīng)用程序負(fù)責(zé)緩存管理，可以更好地優(yōu)化緩存使用。

缺點(diǎn)：

• 復(fù)雜性增加：應(yīng)用程序需要處理緩存未命中的邏輯以及緩存的更新和失效。
• 潛在的數(shù)據(jù)不一致性：如果數(shù)據(jù)更新后未及時(shí)刷新緩存，可能會(huì)導(dǎo)致不一致的數(shù)據(jù)。

適用場景：

• 適用于讀多寫少且對讀性能要求高的場景。
• 應(yīng)用程序可以容忍一定程度的數(shù)據(jù)不一致性。

Write Through

Write Through策略是一種同步寫入策略，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)寫入緩存和底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這確保了緩存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一致性。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)一致性強(qiáng)：由于每次寫操作都會(huì)更新緩存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因此可以保證它們之間的數(shù)據(jù)一致性。
• 簡單的實(shí)現(xiàn)：不需要復(fù)雜的緩存失效機(jī)制。

缺點(diǎn)：

• 寫操作延遲：每次寫操作都需要更新底層存儲(chǔ)，這可能導(dǎo)致寫操作的延遲增加。
• 寫入開銷大：頻繁的寫操作可能會(huì)導(dǎo)致底層存儲(chǔ)的負(fù)載增加。

適用場景：

• 適用于數(shù)據(jù)一致性要求高且寫操作相對較少的場景。
• 在需要確保每次寫入操作后的數(shù)據(jù)一致性時(shí)，Write Through是一種有效的策略。

Write Around

Write Around策略是一種變體的寫入策略，當(dāng)數(shù)據(jù)被更新時(shí)，僅更新底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而不更新緩存，緩存的數(shù)據(jù)只有在被讀取時(shí)才會(huì)更新。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 降低寫入延遲：避免了每次寫操作都更新緩存，從而降低了寫入延遲。
• 減輕緩存壓力：寫操作不會(huì)直接影響緩存，可以減少緩存的更新頻率。

缺點(diǎn)：

• 緩存未命中率高：由于寫入操作不更新緩存，可能導(dǎo)致后續(xù)讀取操作未命中緩存。
• 潛在的數(shù)據(jù)不一致性：如果緩存中的數(shù)據(jù)在更新后沒有及時(shí)刷新，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。

適用場景：

• 適用于寫操作頻繁且讀操作可以容忍一定延遲的場景。
• 在需要減少寫操作對緩存影響的情況下，Write Around是一種可行的策略。

Write Back

Write Back策略是一種異步寫入策略，當(dāng)應(yīng)用程序更新數(shù)據(jù)時(shí)，僅更新緩存，緩存中的數(shù)據(jù)會(huì)在一段時(shí)間后（或滿足特定條件時(shí)）批量寫入底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 寫操作延遲低：由于寫操作僅更新緩存，寫入延遲較低。
• 提高系統(tǒng)吞吐量：批量寫入可以減少對底層存儲(chǔ)的訪問次數(shù)，提高系統(tǒng)的整體吞吐量。

缺點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)一致性風(fēng)險(xiǎn)：由于底層存儲(chǔ)更新滯后，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。
• 數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)：如果緩存數(shù)據(jù)在寫入底層存儲(chǔ)之前丟失（例如系統(tǒng)故障），可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

適用場景：

• 適用于寫操作頻繁且對寫入性能要求高的場景。
• 在可以接受一定程度的數(shù)據(jù)延遲和不一致性的情況下，Write Back是一種高效的策略。

Refresh-ahead

Refresh-ahead 是一種緩存預(yù)取策略，旨在提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，尤其是在可預(yù)測的訪問場景下，與其他緩存策略的被動(dòng)性不同，refresh-ahead通過主動(dòng)預(yù)測未來可能會(huì)被訪問的數(shù)據(jù)，提前從主存儲(chǔ)載入緩存中，從而減少未來請求時(shí)的緩存未命中率（Cache Miss）。其模型如下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

• 減小讀取延遲：通過提前加載數(shù)據(jù)降低未來請求的響應(yīng)時(shí)間，特別是減少了緩存未命中的概率。
• 提升性能：由于數(shù)據(jù)被提前載入，系統(tǒng)在實(shí)際請求到達(dá)時(shí)能立即提供服務(wù)，減少瓶頸。

缺點(diǎn)：

• 資源浪費(fèi)：如果預(yù)測不準(zhǔn)確，預(yù)載入的數(shù)據(jù)可能根本不會(huì)被訪問，這將導(dǎo)致內(nèi)存和IO資源的浪費(fèi)。
• 處理復(fù)雜性增加：需要進(jìn)行訪問模式的監(jiān)控與分析，對系統(tǒng)增加了額外的復(fù)雜度。

使用場景：

• 時(shí)間序列數(shù)據(jù)：例如股票行情、傳感器讀數(shù)等具有強(qiáng)時(shí)間依賴或者逐步遞增的數(shù)據(jù)流場景，這類數(shù)據(jù)的訪問頻率和順序可以被良好預(yù)測。
• 順序讀取：如果系統(tǒng)知道存在將要順序訪問的數(shù)據(jù)塊，可以提前將數(shù)據(jù)加載到緩存。
• 高延遲系統(tǒng)：例如大規(guī)模分布式系統(tǒng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提前刷新可以減少等待時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)延遲。

綜合分析

在選擇緩存策略時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行權(quán)衡，以下是一些日常開發(fā)中經(jīng)常需要考慮的因素：

• 數(shù)據(jù)一致性：如果數(shù)據(jù)一致性是首要考慮因素，Write Through和 Read Through是較好的選擇。
• 性能要求：如果系統(tǒng)對性能要求較高，尤其是寫入性能，Write Back策略可能更適合。
• 復(fù)雜性與靈活性：Cache Aside提供了更大的靈活性，但也增加了應(yīng)用程序的復(fù)雜性。
• 延遲與吞吐量：Write Around可以減少寫入延遲，而Write Back可以提高系統(tǒng)的吞吐量。
• 可預(yù)測性：如果系統(tǒng)可預(yù)測性較強(qiáng)，Write Around可以減少寫入延遲，而 Write Back可以提高系統(tǒng)的吞吐量。

總結(jié)

本文，我們分析了 6種常見的緩存策略，也是在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中經(jīng)常使用的策略，關(guān)于緩存策略的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)以及性能目標(biāo)進(jìn)行評估和優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可能只使用其中的某一種，也可以需要結(jié)合多種策略，最終如何選擇，需要根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)情況而定。