第33讲:不止业务缓存,分布式系统中还有哪些缓存?
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缓存是分布式系统开发中的常见技术,在分布式系统中的缓存,不止 Redis、Memcached 等后端存储;在前端页面、浏览器、网络 CDN 中也都有缓存的身影。
缓存有哪些分类
如果你是做业务开发的话,提起缓存首先想到的应该是应用 Redis,或者 Memcached 等服务端缓存,其实这些在缓存分类中只是一小部分。然而在整个业务流程中,从前端 Web 请求,到网络传输,再到服务端和数据库服务,各个阶段都有缓存的应用。
以电商业务场景为例,如果你打开淘宝或者京东,查看一个商品详情页,这个过程就涉及多种缓存的协同,我们从页面入口开始梳理一下,如下图所示。
前端缓存
前端缓存包括页面和浏览器缓存,如果你使用的是 App,那么在 App 端也会有缓存。当你打开商品详情页,除了首次打开以外,后面重复刷新时,页面上加载的信息来自多种缓存。
页面缓存属于客户端缓存的一种,在第一次访问时,页面缓存将浏览器渲染的页面存储在本地,当用户再次访问相同的页面时,可以不发送网络连接,直接展示缓存的内容,以提升整体性能。
HTML5 支持了本地存储,本地存储包括 localStorage 和 sessionStorage,其中 localStorage 没有时间限制,在同一个浏览器中,只要没被手动清理,数据会一直可用,sessionStorage 则和 session 的有效期内相关,关闭浏览器页面后缓存会被清空。
除了本地存储,HTML5 还支持离线缓存,也就是 Application Cache 技术,该技术可以实现应用离线的缓存,在暂时断网离线后仍然可以访问页面。
Application Cache 是基于 manifest 文件实现的缓存机制,浏览器会通过这个文件上的清单解析存储资源,感兴趣的同学可以去了解下实现细节。
页面缓存一般用于数据更新比较少的数据,不会频繁修改。除了页面缓存,大部分浏览器自身都会实现缓存功能,比如查看某个商品信息,我如果要回到之前的列表页,点击后退功能,就会应用到浏览器缓存;另外对于页面中的图片和视频等,浏览器都会进行缓存,方便下次查看。
前端缓存还有 App 内的缓存,由于 App 是一个单独的应用,各级缓存会更加复杂,在 Android 和 iOS 开发中也有区别,除非是做客户端开发的同学,不需要了解具体的细节。我们只需要知道客户端缓存是非常重要的优化手段,在开发中注意避免可能导致的问题就可以。
网络传输缓存
大多数业务请求都是通过 HTTP/HTTPS 协议实现的,它们工作在 TCP 协议之上,多次握手以后,浏览器和服务器建立 TCP 连接,然后进行数据传输,在传输过程中,会涉及多层缓存,比如 CDN 缓存等。
网络中缓存包括 CDN 缓存,CDN(Content Delivery Network,内容分发网络)实现的关键包括 内容存储 和 内容分发 ,内容存储就是对数据的缓存功能,内容分发则是 CDN 节点支持的负载均衡。
前端请求在经过 DNS 之后,首先会被指向网络中最近的 CDN 节点,该节点从真正的应用服务器获取资源返回给前端,同时将静态信息缓存。在新的请求过来以后,就可以只请求 CDN 节点的数据,同时 CDN 节点也可以和服务器之间同步更新数据。
网络缓存还包括 负载均衡中的缓存 ,负载均衡服务器主要实现的是请求路由,也就是负载均衡功能;也可以实现部分数据的缓存,比如一些配置信息等很少修改的数据。
目前业务开发中大部分负载均衡都是通过 Nginx 实现的,用户请求在达到应用服务器之前,会先访问 Nginx 负载均衡器。如果发现有缓存信息,则直接返回给用户,如果没有发现缓存信息,那么 Nginx 会 回源 到应用服务器获取信息。
服务端缓存
前端请求经过负载均衡落到 Web 服务器之后,就进入服务端缓存,服务端缓存是缓存的重点,也是业务开发平时打交道最多的缓存。它还可以进一步分为 本地缓存 和 外部缓存 。
本地缓存也可以叫作 应用内缓存 ,比如 Guava 实现的各级缓存,或者 Java 语言中使用各类 Map 结构实现的数据存储,都属于本地缓存的范畴。应用内缓存的特点是随着服务重启后失效,作用时间很短,好处是应用比较灵活。
外部缓存就是我们平常应用的 Redis、Memchaed 等 NoSQL 存储的分布式缓存,它也是在系统设计中对整体性能提升最大的缓存。但如果外部缓存使用不当,则会导致缓存穿透、缓存雪崩等业务问题,关于如何处理这类问题,我们将在下一课时进行分析。
数据库缓存
经过服务端缓存以后,数据其实并不是直接请求数据库持久层,在数据库层面,也可以有多级缓存。
在 Java 开发中,我们一般使用 MyBatis 或者 Hibernate 作为数据库访问的持久化层,这两个组件中都支持缓存的应用。
以 MyBatis 为例,MyBatis 为每个 SqlSession 都创建了 LocalCache,LocalCache 可以实现查询请求的缓存, 如果查询语句命中了 缓存 , 返回给用户,否则查询数据库, 并且 写入 LocalCache, 返回结果给用户。不过在实际开发中,数据库持久层的缓存非常容易出现数据不一致的情况,所以一般不推荐使用。
另外,大家熟悉的数据库服务器也实现了自身的缓存层,比如 MySQL 服务器支持的查询缓存。
在数据库执行查询语句时,MySQL 会保存一个 Key-Value 的形式缓存在内存中,其中 Key 是查询语句,Value 是结果集。如果缓存 Key 被命中,则会直接返回给客户端,否则会通过数据库引擎 进行 查询,并且把结果缓存起来,方便下一次调用。虽然 MySQL 支持缓存,但是由于需要保证一致性,当数据有修改时,需要删除缓存。如果是某些更新特别频繁的数据,缓存的有效时间非常短,带来的优化效果并不明显。
总结
这一课时讲解了分布式系统设计中的缓存应用,包括前端缓存、网络缓存、服务端缓存,以及数据库缓存。
缓存是一种通用的优化思路,伴随着计算机技术发展至今,在大学的操作系统专业课中,就讲过计算机操作系统设计的多种缓存,比如 Page Cache、Buffer Cache 等技术。你可以思考下,除了上面课时内容中的几种缓存,分布式系统还有哪些环节也用到了缓存技术,欢迎留言分享。
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文章作者 anonymous
上次更新 2024-06-12