引用：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)入門
緩存架構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)二三事
有哪些緩存級(jí)別
客戶端緩存
緩存可以位于客戶端（操作系統(tǒng)或者瀏覽器）。
CDN 緩存
CDN 也被視為一種緩存悯嗓。
CDN邊緣節(jié)點(diǎn)緩存策略因服務(wù)商不同而不同拒迅，但一般都會(huì)遵循 HTTP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議骚秦，通過 HTTP 響應(yīng)頭中的 Cache-control: max-age 的字段來設(shè)置CDN邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存時(shí)間。
當(dāng)客戶端向CDN節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)璧微，CDN節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷緩存數(shù)據(jù)是否過期作箍，若緩存數(shù)據(jù)并沒有過期，則直接將緩存數(shù)據(jù)返回給客戶端前硫；否則胞得，CDN節(jié)點(diǎn)就會(huì)向源站發(fā)出回源請(qǐng)求，從源站拉取最新數(shù)據(jù)开瞭，更新本地緩存懒震，并將最新數(shù)據(jù)返回給客戶端。
CDN服務(wù)商一般會(huì)提供基于文件后綴嗤详、目錄多個(gè)維度來指定CDN緩存時(shí)間，為用戶提供更精細(xì)化的緩存管理瓷炮。
CDN緩存時(shí)間會(huì)對(duì)“回源率”產(chǎn)生直接的影響葱色。若CDN緩存時(shí)間較短，CDN邊緣節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)常失效娘香，導(dǎo)致頻繁回源苍狰，增加了源站的負(fù)載，同時(shí)也增大的訪問延時(shí)烘绽；若CDN緩存時(shí)間太長(zhǎng)淋昭，會(huì)帶來數(shù)據(jù)更新時(shí)間慢的問題。開發(fā)者需要增對(duì)特定的業(yè)務(wù)安接，來做特定的數(shù)據(jù)緩存時(shí)間管理翔忽。
Web 服務(wù)器緩存
反向代理和緩存可以直接提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)內(nèi)容。Web 服務(wù)器同樣也可以緩存請(qǐng)求盏檐，返回相應(yīng)結(jié)果而不必連接應(yīng)用服務(wù)器歇式。
數(shù)據(jù)庫(kù)緩存
數(shù)據(jù)庫(kù)的默認(rèn)配置中通常包含緩存級(jí)別，針對(duì)一般用例進(jìn)行了優(yōu)化胡野。調(diào)整配置材失，在不同情況下使用不同的模式可以進(jìn)一步提高性能。
當(dāng)有很多相同的查詢被執(zhí)行了多次的時(shí)候硫豆，這些查詢結(jié)果會(huì)被放到一個(gè)緩存中龙巨。
這樣笼呆，后續(xù)的相同的查詢就不用操作表而直接訪問緩存結(jié)果了。
// 查詢緩存不開啟
$r = mysql_query("SELECT * FROM student WHERE signup_date = CURDATE()");
// 開啟查詢緩存
$today = date("Y-m-d");
$r = mysql_query("SELECT * FROM student WHERE signup_date = '$today'");
像 CURDATE(), NOW() 和 RAND() 或是其它的諸如此類的SQL函數(shù)都不會(huì)開啟查詢緩存旨别。
因?yàn)檫@些函數(shù)的返回值是不定的诗赌。
應(yīng)用緩存
基于內(nèi)存的緩存比如 Memcached 和 Redis 是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的一種鍵值存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)保存在 RAM 中昼榛，它比存儲(chǔ)在磁盤上的典型數(shù)據(jù)庫(kù)要快多了境肾。
Redis 有下列附加功能：
- 持久性選項(xiàng)
- 內(nèi)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比如有序集合和列表
參見 Spring 緩存開發(fā)實(shí)踐 & Redis 集成
何時(shí)更新緩存
由于你只能在緩存中存儲(chǔ)有限的數(shù)據(jù)，所以你需要選擇一個(gè)適用于你用例的緩存更新策略胆屿。
緩存模式
應(yīng)用從存儲(chǔ)器讀寫邢羔。緩存不和存儲(chǔ)器直接交互躏率，應(yīng)用執(zhí)行以下操作：
- 在緩存中查找記錄，如果所需數(shù)據(jù)不在緩存中
- 從數(shù)據(jù)庫(kù)中加載所需內(nèi)容
- 將查找到的結(jié)果存儲(chǔ)到緩存中
- 返回所需內(nèi)容
Memcached 通常用這種方式使用。
添加到緩存中的數(shù)據(jù)讀取速度很快攘轩。緩存模式也稱為延遲加載。只緩存所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)撑蚌，這避免了沒有被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)占滿了緩存空間挠说。
缺點(diǎn)：
- 請(qǐng)求的數(shù)據(jù)如果不在緩存中就需要經(jīng)過三個(gè)步驟來獲取數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致明顯的延遲纯命。
- 如果數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)更新了會(huì)導(dǎo)致緩存中的數(shù)據(jù)過時(shí)西剥。這個(gè)問題需要通過設(shè)置TTL強(qiáng)制更新緩存或者直寫模式來緩解這種情況。
直寫模式
應(yīng)用使用緩存作為主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)亿汞，將數(shù)據(jù)讀寫到緩存中瞭空，而緩存負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀寫數(shù)據(jù)：
- 應(yīng)用向緩存中添加/更新數(shù)據(jù)
- 緩存同步地寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
- 返回所需內(nèi)容
由于存寫操作所以直寫模式整體是一種很慢的操作，但是讀取剛寫入的數(shù)據(jù)很快疗我。相比讀取數(shù)據(jù)咆畏，用戶通常比較能接受更新數(shù)據(jù)時(shí)速度較慢。緩存中的數(shù)據(jù)不會(huì)過時(shí)吴裤。
缺點(diǎn)：
- 由于故障或者縮放而創(chuàng)建的新的節(jié)點(diǎn)旧找，新的節(jié)點(diǎn)不會(huì)緩存，直到數(shù)據(jù)庫(kù)更新為止麦牺。
回寫模式
在回寫模式中钮蛛，應(yīng)用執(zhí)行以下操作：
- 在緩存中增加或者更新條目
- 異步寫入數(shù)據(jù)，提高寫入性能枕面。
缺點(diǎn)：
- 緩存可能在其內(nèi)容成功存儲(chǔ)之前丟失數(shù)據(jù)愿卒。
緩存的缺點(diǎn)：
- 需要保持緩存和真實(shí)數(shù)據(jù)源之間的一致性。
- 需要改變應(yīng)用程序比如增加 Redis 或者 memcached潮秘。
- 無(wú)效緩存是個(gè)難題琼开，什么時(shí)候更新緩存是與之相關(guān)的復(fù)雜問題。
緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)
緩存是一種提高系統(tǒng)讀性能的常見技術(shù)枕荞，對(duì)于讀多寫少的應(yīng)用場(chǎng)景柜候，我們經(jīng)常使用緩存來進(jìn)行優(yōu)化搞动。
例如對(duì)于用戶的余額信息表 account(uid, money)，業(yè)務(wù)上的需求是：
- 查詢用戶的余額渣刷，SELECT money FROM account WHERE uid=XXX鹦肿，占 99% 的請(qǐng)求
- 更改用戶余額，UPDATE account SET money=XXX WHERE uid=XXX辅柴，占 1% 的請(qǐng)求
由于大部分的請(qǐng)求是查詢箩溃，我們?cè)诰彺嬷薪?uid 到 money 的鍵值對(duì)（uid -> money），能夠極大降低數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力碌嘀。
讀操作流程：
- 讀取緩存中是否有相關(guān)數(shù)據(jù)涣旨，uid -> money
- 如果緩存中有相關(guān)數(shù)據(jù) money，則返回【數(shù)據(jù)命中 hit】
- 如果緩存中沒有相關(guān)數(shù)據(jù) money股冗，則從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取相關(guān)數(shù)據(jù) money【數(shù)據(jù)未命中 miss】霹陡，放入緩存中 uid -> money，再返回
緩存的命中率 = 命中緩存請(qǐng)求個(gè)數(shù)/總緩存訪問請(qǐng)求個(gè)數(shù) = hit / (hit + miss)
問題來了：
當(dāng)余額數(shù)據(jù) money 發(fā)生變化的時(shí)候：
- 是更新緩存中的數(shù)據(jù)止状，還是淘汰緩存中的數(shù)據(jù)呢烹棉？
- 是先操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)再操縱緩存中的數(shù)據(jù)，還是先操縱緩存中的數(shù)據(jù)再操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)呢怯疤？
- 緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)的操作浆洗，在架構(gòu)上是否有優(yōu)化的空間呢？
是更新緩存中的數(shù)據(jù)集峦，還是淘汰緩存中的數(shù)據(jù)呢辅髓？
更新緩存：
- 數(shù)據(jù)不但寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，還會(huì)寫入緩存
- 優(yōu)點(diǎn)：緩存不會(huì)增加一次 cache miss少梁，命中率高
淘汰緩存：
- 數(shù)據(jù)只會(huì)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，不會(huì)寫入緩存矫付，只會(huì)把數(shù)據(jù)淘汰掉
- 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單
- 缺點(diǎn)：增加了一次 cache miss
取決于 更新緩存的復(fù)雜度：
例如凯沪，上述場(chǎng)景，只是簡(jiǎn)單的把余額 money 設(shè)置成一個(gè)值买优，那么：
- 淘汰緩存的操作為 deleteCache(uid)
- 更新緩存的操作為 setCache(uid, money)
更新緩存的代價(jià)很小妨马，此時(shí)我們應(yīng)該更傾向于更新緩存，以保證更高的緩存命中率杀赢。
如果余額是通過很復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算得出來的烘跺，例如業(yè)務(wù)上除了賬戶表 account，還有商品表 product脂崔，折扣表 discount滤淳。
業(yè)務(wù)場(chǎng)景是用戶買了一個(gè)商品 product，這個(gè)商品的價(jià)格是 price砌左，這個(gè)商品從屬于 type 類商品脖咐，type類商品在做促銷活動(dòng)要打折扣 zhekou铺敌，購(gòu)買了商品過后，這個(gè)余額的計(jì)算就復(fù)雜了屁擅，需要：
- 先把商品的品類偿凭，價(jià)格取出來：SELECT type, price FROM product WHERE pid=XXX
- 再把這個(gè)品類的折扣取出來：SELECT zhekou FROM discount WHERE type=XXX
- 再把原有余額從緩存中查詢出來 money = getCache(uid)
- 再把新的余額寫入到緩存中去 setCache(uid, money - price * zhekou)
更新緩存的代價(jià)很大，此時(shí)我們應(yīng)該更傾向于淘汰緩存派歌。
先操作數(shù)據(jù)庫(kù) VS 先操作緩存
當(dāng)寫操作發(fā)生時(shí)弯囊，假設(shè) 淘汰緩存 作為對(duì)緩存通用的處理方式，又面臨兩種抉擇：
- 先寫數(shù)據(jù)庫(kù)胶果，再淘汰緩存
- 先淘汰緩存匾嘱，再寫數(shù)據(jù)庫(kù)
對(duì)于一個(gè)不能保證事務(wù)性的操作，一定涉及 哪個(gè)任務(wù)先做稽物，哪個(gè)任務(wù)后做 的問題奄毡，解決這個(gè)問題的方向是：
如果出現(xiàn)不一致，誰(shuí)先做對(duì)業(yè)務(wù)的影響較小贝或，就誰(shuí)先執(zhí)行吼过。
假設(shè)先寫數(shù)據(jù)庫(kù)，再淘汰緩存：
- 更新數(shù)據(jù)庫(kù)操作成功咪奖，將編號(hào) 001 的賬號(hào)的余額從 50 元更新為 100 元
- 可是淘汰緩存操作失敗盗忱，緩存中是舊數(shù)據(jù) 50 元，從而造成了 數(shù)據(jù)不一致羊赵，用戶查詢時(shí)趟佃，在緩存中命中，返回 50 塊的錯(cuò)誤余額
結(jié)論是：應(yīng)該先淘汰緩存昧捷，再寫數(shù)據(jù)庫(kù)闲昭。
這樣即使第二步寫數(shù)據(jù)庫(kù)失敗，則只會(huì)引發(fā)一次 cache miss靡挥。
緩存架構(gòu)優(yōu)化
傳統(tǒng)架構(gòu)：如下所示序矩。缺點(diǎn)：業(yè)務(wù)方需要同時(shí)關(guān)注緩存與 數(shù)據(jù)庫(kù)。
主流優(yōu)化方案是 服務(wù)化：加入一個(gè)服務(wù)層跋破，向上游提供數(shù)據(jù)訪問接口簸淀，向上游屏蔽底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)，這樣業(yè)務(wù)線不需要關(guān)注數(shù)據(jù)是來自于緩存還是數(shù)據(jù)庫(kù)毒返。
