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

緩存技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)。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(jì)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(jiǎn)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(huì)被放在應(yīng)用服務(wù)器的請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)上，就像是服務(wù)器自己的小本子一樣。每當(dāng)有請(qǐng)求到達(dá)這個(gè)節(jié)點(diǎn)，它都會(huì)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(gè)數(shù)據(jù)，不用再費(fèi)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(gè)大型系統(tǒng)中，有可能有很多請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的實(shí)例在一起工作，負(fù)載均衡器負(fù)責(zé)將請(qǐng)求分散到這些節(jié)點(diǎn)上。問題是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的緩存，如果一個(gè)請(qǐng)求到達(dá)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而這個(gè)請(qǐng)求的響應(yīng)已經(jīng)被其他節(jié)點(diǎn)處理過了，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)找不到緩存，需要重新查找。這會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)請(qǐng)求被處理多次，浪費(fèi)資源。解決這個(gè)問題的方法就是使用分布式緩存，讓所有的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)緩存，這樣就不會(huì)重復(fù)計(jì)算了。
• 全局緩存： 全局緩存其實(shí)就是分布式緩存的一種，它是一個(gè)大家都能訪問的共享緩存，不管請(qǐng)求到達(dá)哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以從這個(gè)全局緩存中獲取數(shù)據(jù)。這樣就能避免重復(fù)計(jì)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(qǐng)求某個(gè)內(nèi)容時(shí)，CDN會(huì)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(fù)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(jiǎn)單來說，緩存就是將一些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器的內(nèi)存或磁盤上，以便在需要時(shí)快速獲取，而不必每次都從頭開始計(jì)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(qǐng)求節(jié)點(diǎn)（服務(wù)器）本身上的一種方式。每當(dāng)有請(qǐng)求到達(dá)這個(gè)服務(wù)器時(shí)，它會(huì)首先檢查自己的本地緩存，如果能找到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，就會(huì)直接返回給客戶端，避免了重復(fù)計(jì)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(huì)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(gè)分布式環(huán)境中，有多個(gè)實(shí)例的同一請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題。通常，負(fù)載均衡器會(huì)將請(qǐng)求分發(fā)到這些不同的節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的本地緩存存儲(chǔ)。這就可能導(dǎo)致一個(gè)問題：當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)，而該請(qǐng)求的響應(yīng)已經(jīng)被其他節(jié)點(diǎn)處理并緩存時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)緩存未命中的情況。這時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不得不再次查詢磁盤并將響應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自己的本地緩存中。如果后續(xù)的請(qǐng)求又被分發(fā)到不同的節(jié)點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)請(qǐng)求被多次計(jì)算，浪費(fèi)了資源和時(shí)間。

為了解決這個(gè)問題，我們可以采取維護(hù)一個(gè)分布式或全局緩存的方法。這意味著所有的請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)緩存，不管請(qǐng)求到達(dá)哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以從這個(gè)全局緩存中獲取數(shù)據(jù)，避免了重復(fù)計(jì)算和減輕了系統(tǒng)負(fù)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(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(gè)緩存節(jié)點(diǎn)或?qū)ο螵?dú)立無關(guān)，這意味著我們可以輕松地添加新的緩存節(jié)點(diǎn)到緩存池中，而不必?fù)?dān)心影響已有的數(shù)據(jù)。

當(dāng)有請(qǐng)求到來時(shí)，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)會(huì)使用一致性哈希算法來確定在哪個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)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?cái)U(kuò)展緩存集群，以容納更多的緩存節(jié)點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的性能和可用性。簡(jiǎn)而言之，一致性哈希是分布式緩存中的一項(xiàng)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(hù)一個(gè)全局的緩存，而不是每個(gè)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(dòng)的數(shù)據(jù)獲取方式。
• 全局緩存調(diào)用請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，然后緩存來自該節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)： 另一種方式是通過全局緩存調(diào)用具體的請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，然后將從該節(jié)點(diǎn)獲取到的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。這種方式是一種被動(dòng)的數(shù)據(jù)獲取方式，只有在需要時(shí)才會(huì)觸發(fā)。這也意味著我們可以將緩存的數(shù)據(jù)與請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)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(jì)。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(fèi)。

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(gè)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(jiǎn)單，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)緩存中沒有用戶請(qǐng)求的內(nèi)容時(shí)，它會(huì)主動(dòng)去向后端服務(wù)器請(qǐng)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(qǐng)求相同的內(nèi)容時(shí)，就可以快速地提供服務(wù)，不必再次向后端服務(wù)器請(qǐng)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(jiǎn)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(jìn)行過渡，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模。簡(jiǎn)單說，CDN是一個(gè)實(shí)用的解決方案，可以幫助提升網(wǎng)站性能和用戶體驗(yàn)。

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(shí)，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(shí)寫入緩存和數(shù)據(jù)庫： 在這個(gè)方案中，數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)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(huì)丟失，因?yàn)樗呀?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(shí)，同時(shí)在緩存和數(shù)據(jù)庫中更新數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致延遲問題。
• 繞過緩存寫入： 這個(gè)方案中，數(shù)據(jù)直接寫入永久存儲(chǔ)，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(huì)導(dǎo)致緩存未命中，需要請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)去查詢永久存儲(chǔ)并緩存響應(yīng)。
• 回寫式緩存： 在這個(gè)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(rèn)完成。隨后，經(jīng)過一定的時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)再更新到永久存儲(chǔ)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(diǎn)是如果系統(tǒng)發(fā)生故障或其他不良事件，可能會(huì)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(duì)數(shù)據(jù)一致性和可靠性的要求。不同的應(yīng)用場(chǎng)景可能需要不同的策略來平衡性能和數(shù)據(jù)保護(hù)。

三、緩存淘汰(Cache Eviction)

當(dāng)緩存達(dá)到容量上限時(shí)，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(jìn)先出）： 這個(gè)策略會(huì)優(yōu)先清理最早進(jìn)入緩存的數(shù)據(jù)，而不考慮它們被訪問的頻率。
• LIFO（后進(jìn)后出）： 與FIFO相反，這個(gè)策略會(huì)優(yōu)先清理最晚進(jìn)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(zhǎng)時(shí)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(huì)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(hù)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(jī)替換： 這種策略隨機(jī)選擇一個(gè)緩存項(xiàng)，并在需要時(shí)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(chǎng)景，幫助你在緩存滿時(shí)有效地管理和清理數(shù)據(jù)。