如何通過(guò)緩存來(lái)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問了，一般來(lái)說(shuō)，增、刪、改操作不會(huì)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(gè)操作才會(huì)導(dǎo)致性能問題。一般可以限制單表索引的數(shù)量來(lái)提升性能，比如單表的索引數(shù)量不能超過(guò)5個(gè)。

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(yǔ)法，這些語(yǔ)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(huì)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(lái)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(guò)減少系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問量來(lái)提高系統(tǒng)性能。試想一下，如果有100個(gè)請(qǐng)求同時(shí)請(qǐng)求同一個(gè)數(shù)據(jù)，沒有加緩存之前，需要訪問100次數(shù)據(jù)庫(kù)，而加了緩存之后，可能只需訪問1次數(shù)據(jù)庫(kù)，剩下的99個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)從緩存中取，大大的較少了數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問量，雖然同樣需要訪問100次，但數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取性能和緩存的讀取性能不在一個(gè)級(jí)別上，所以對(duì)系統(tǒng)性能提升顯著。為什么說(shuō)可能需要訪問1次數(shù)據(jù)庫(kù)呢，這個(gè)和過(guò)期有關(guān)，后面會(huì)講。

更新模式

既然知道了緩存對(duì)系統(tǒng)性能提升顯著，那下面先來(lái)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?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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?yàn)閮蓚€(gè)并發(fā)寫操作導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)。試想一下，有兩個(gè)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(kù)把數(shù)據(jù)更新為1，但還沒更新緩存，由于時(shí)間片用完了，此時(shí)線程B獲得了CPU，并在這期間把數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)有這個(gè)問題，保證緩存中的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的保持一致。

那是不是Cache Aside模式就不會(huì)有并發(fā)問題了呢？

不是的。比如，一個(gè)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(shí)一個(gè)寫操作，更新數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)（A=2）并讓緩存失效，此時(shí)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(huì)出現(xiàn)，但現(xiàn)實(shí)情況中出現(xiàn)的幾率極低。要這種情況出現(xiàn)必須在一個(gè)讀操作發(fā)生時(shí)，有一個(gè)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(guò)2PC這種保證數(shù)據(jù)的一致性（復(fù)雜）；
• 通過(guò)降低并發(fā)時(shí)臟數(shù)據(jù)的概率，并設(shè)置合理的過(guò)期時(shí)間（簡(jiǎn)單，但存在一定時(shí)間內(nèi)的錯(cuò)誤率，一般可以接受）。

Read/Write Through

在這種模式下，對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，所有的讀寫請(qǐng)求都是直接和緩存打交道，關(guān)于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)完全由緩存服務(wù)來(lái)更新（更新同步為同步操作）。

這種模式下流程就相當(dāng)簡(jiǎn)單了，完全就是對(duì)緩存的讀寫。

缺點(diǎn)：這種模式對(duì)緩存服務(wù)有強(qiáng)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(shí)這個(gè)模式就是Read/Write Through的一個(gè)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(kù)，他的相應(yīng)速度比Read/Write Through還要高，并且還能合并對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)的多次操作。這個(gè)有點(diǎn)像MySQL的buffer pool的刷盤操作。

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

設(shè)計(jì)思路

無(wú)狀態(tài)的服務(wù)

在分布式系統(tǒng)中，無(wú)狀態(tài)的服務(wù)有利于橫向擴(kuò)展，所以緩存也應(yīng)該獨(dú)立于業(yè)務(wù)服務(wù)在外，設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)，使業(yè)務(wù)服務(wù)變成無(wú)狀態(tài)的。很多公司都選擇是用Redis來(lái)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(gè)緩存服務(wù)的好壞主要看命中率，一般來(lái)說(shuō)，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(kù)的全部數(shù)據(jù)的寫到緩存了，這個(gè)是不符合緩存的設(shè)計(jì)理念，而且需要極大的內(nèi)存空間。通常來(lái)說(shuō)，應(yīng)該只有小部分熱點(diǎn)數(shù)據(jù)寫到緩存。 緩存是通過(guò)犧牲強(qiáng)一致性來(lái)?yè)Q取性能的，并不是所有的業(yè)務(wù)的適合使用緩存。

有效時(shí)間

緩存數(shù)據(jù)的有效時(shí)間不易過(guò)短，不易過(guò)長(zhǎng)，不易過(guò)于集中。

• 過(guò)短，會(huì)增加數(shù)據(jù)庫(kù)訪問的次數(shù)。
• 過(guò)長(zhǎng)容易不使用的數(shù)據(jù)一直停留在緩存中，浪費(fèi)空間，并且一旦產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)，過(guò)程的有效時(shí)間會(huì)導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)遲遲無(wú)法失效，進(jìn)而導(dǎo)致影響更多的業(yè)務(wù)。
• 過(guò)于集中，會(huì)導(dǎo)致緩存雪崩。

淘汰策略

當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，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(shí), 如果需要更多內(nèi)存, 直接返回錯(cuò)誤信息(有極少數(shù)會(huì)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(jī)刪除一部分 key。
• volatile-random: 只限于設(shè)置了 expire 的部分，隨機(jī)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(shí)間(time to live,TTL) 短的key。

可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)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(kù)之上的一直機(jī)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。