如何通過緩存來提升系統(tǒng)性能?

緩存

在系統(tǒng)中最消耗性能的地方就是對數(shù)據(jù)庫的訪問了，一般來說，增、刪、改操作不會出現(xiàn)什么性能問題，除非索引太多，并且數(shù)據(jù)量有十分龐大的情況下，這三個操作才會導(dǎo)致性能問題。一般可以限制單表索引的數(shù)量來提升性能，比如單表的索引數(shù)量不能超過5個。

絕大多數(shù)情況下，性能問題都出在查詢上，select操作提供了非常豐富的語法，這些語法包括函數(shù)，子查詢，like子句，where子句等，這些查詢都是非常消耗性能的。大部分應(yīng)用都是讀多寫少的應(yīng)用，所以查詢慢的問題會被放大了，導(dǎo)致慢查詢成為了系統(tǒng)性能的瓶頸，這是就需要用到緩存來提高系統(tǒng)的性能。

緩存為什么能提供系統(tǒng)性能？

緩存通過減少系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的訪問量來提高系統(tǒng)性能。試想一下，如果有100個請求同時請求同一個數(shù)據(jù)，沒有加緩存之前，需要訪問100次數(shù)據(jù)庫，而加了緩存之后，可能只需訪問1次數(shù)據(jù)庫，剩下的99個請求的數(shù)據(jù)從緩存中取，大大的較少了數(shù)據(jù)庫的訪問量，雖然同樣需要訪問100次，但數(shù)據(jù)庫的讀取性能和緩存的讀取性能不在一個級別上，所以對系統(tǒng)性能提升顯著。為什么說可能需要訪問1次數(shù)據(jù)庫呢，這個和過期有關(guān)，后面會講。

更新模式

既然知道了緩存對系統(tǒng)性能提升顯著，那下面先來了解一下緩存如何更新吧。

Cache Aside（推薦）

這應(yīng)該是最常用的更新模式了，這種模式大致流程如下：

讀取

• 如果緩存中沒有，則再從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)之后，放入緩存。
• 如果緩存中有，取到后直接返回。

更新

• 先更新數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，成功后，讓緩存失效。

為什么是讓緩存失效而不是更新緩存呢？

主要是因為兩個并發(fā)寫操作導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)。試想一下，有兩個線程A和B，分別要將資源A的值修改為1和2，線程A先到達(dá)數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)更新為1，但還沒更新緩存，由于時間片用完了，此時線程B獲得了CPU，并在這期間把數(shù)據(jù)庫資源A的值和緩存的值都更新為2，線程B結(jié)束后，線程A重新獲得CPU，執(zhí)行更新緩存，把資源A的值改為1，線程A結(jié)束。此時，數(shù)據(jù)庫中A的值為2，而緩存中A的值為1，數(shù)據(jù)不一致。所以讓緩存失效就不會有這個問題，保證緩存中的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的保持一致。

那是不是Cache Aside模式就不會有并發(fā)問題了呢？

不是的。比如，一個讀操作，沒有命中緩存，就去數(shù)據(jù)的讀取數(shù)據(jù)（A=1），此時一個寫操作，更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（A=2）并讓緩存失效，此時讀操作把讀取到的數(shù)據(jù)（A=1）寫到緩存中，導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)。

這種情況理論上會出現(xiàn)，但現(xiàn)實情況中出現(xiàn)的幾率極低。要這種情況出現(xiàn)必須在一個讀操作發(fā)生時，有一個并發(fā)寫操作，并且既要讀操作要于寫操作寫入前讀取，又要后于寫操作寫入緩存。滿足這種條件的概率并不大。

基于出現(xiàn)上面所描述的問題，目前有兩種比較合理的解決方案：

• 通過2PC這種保證數(shù)據(jù)的一致性（復(fù)雜）；
• 通過降低并發(fā)時臟數(shù)據(jù)的概率，并設(shè)置合理的過期時間（簡單，但存在一定時間內(nèi)的錯誤率，一般可以接受）。

Read/Write Through

在這種模式下，對于應(yīng)用程序來說，所有的讀寫請求都是直接和緩存打交道，關(guān)于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)完全由緩存服務(wù)來更新（更新同步為同步操作）。

這種模式下流程就相當(dāng)簡單了，完全就是對緩存的讀寫。

缺點：這種模式對緩存服務(wù)有強依賴性，要求緩存具備高可用性。所以應(yīng)有沒有上一種普遍。

Write Behind Caching

其實這個模式就是Read/Write Through的一個變種，區(qū)別就在于前者是異步更新，后者是同步更新。

既然是異步更新數(shù)據(jù)庫，他的相應(yīng)速度比Read/Write Through還要高，并且還能合并對同一個數(shù)據(jù)的多次操作。這個有點像MySQL的buffer pool的刷盤操作。

缺點：異步就代表數(shù)據(jù)不是強一致性的，還存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，實現(xiàn)邏輯也較為復(fù)雜。

設(shè)計思路

無狀態(tài)的服務(wù)

在分布式系統(tǒng)中，無狀態(tài)的服務(wù)有利于橫向擴展，所以緩存也應(yīng)該獨立于業(yè)務(wù)服務(wù)在外，設(shè)計成一個獨立的服務(wù)，使業(yè)務(wù)服務(wù)變成無狀態(tài)的。很多公司都選擇是用Redis來搭建他們的緩存系統(tǒng)，取決于其高速的讀寫性能。

命中率

一個緩存服務(wù)的好壞主要看命中率，一般來說，命中率保存在80%以上已經(jīng)算很高了，但我們不能為了提高命中率而把數(shù)據(jù)庫的全部數(shù)據(jù)的寫到緩存了，這個是不符合緩存的設(shè)計理念，而且需要極大的內(nèi)存空間。通常來說，應(yīng)該只有小部分熱點數(shù)據(jù)寫到緩存。 緩存是通過犧牲強一致性來換取性能的，并不是所有的業(yè)務(wù)的適合使用緩存。

有效時間

緩存數(shù)據(jù)的有效時間不易過短，不易過長，不易過于集中。

• 過短，會增加數(shù)據(jù)庫訪問的次數(shù)。
• 過長容易不使用的數(shù)據(jù)一直停留在緩存中，浪費空間，并且一旦產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)，過程的有效時間會導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)遲遲無法失效，進而導(dǎo)致影響更多的業(yè)務(wù)。
• 過于集中，會導(dǎo)致緩存雪崩。

淘汰策略

當(dāng)內(nèi)存不足時，緩存系統(tǒng)就要按照淘汰策略，把不適合留在緩存的數(shù)據(jù)淘汰掉，騰出位置給新數(shù)據(jù)。下面就以Redis為例，給出了淘汰策略：

• noeviction: 不刪除策略, 達(dá)到最大內(nèi)存限制時, 如果需要更多內(nèi)存, 直接返回錯誤信息(有極少數(shù)會例外, 如 DEL )。
• allkeys-lru: 所有key通用，優(yōu)先刪除最近最少使用(less recently used ,LRU) 的 key。（推薦）
• volatile-lru: 只限于設(shè)置了 expire 的部分，優(yōu)先刪除最近最少使用(less recently used ,LRU) 的 key。
• allkeys-random: 所有key通用，隨機刪除一部分 key。
• volatile-random: 只限于設(shè)置了 expire 的部分，隨機刪除一部分 key。
• volatile-ttl: 只限于設(shè)置了 expire 的部分，優(yōu)先刪除剩余時間(time to live,TTL) 短的key。

可根據(jù)項目實際情況進行選擇。

小結(jié)

緩存是為了加速數(shù)據(jù)的訪問，在數(shù)據(jù)庫之上的一直機制，并非所有業(yè)務(wù)都適合使用緩存，要根據(jù)具體情況選擇更新策略和淘汰策略。

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