廣義的來(lái)說(shuō), 我們將凡是位于速度相差較大的兩種(硬件或者服務(wù))之間，用于協(xié)調(diào)兩者數(shù)據(jù)傳輸速度差異的[結(jié)構(gòu)或者服務(wù)]，均可稱之為緩存. 緩存屬于典型的用空間換時(shí)間的方法,?

我們繼續(xù)上一章的故事, 小白同學(xué)受到了我的感召, 開(kāi)始了共享書(shū)吧的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目, 并且寫(xiě)出了第一版的程序上線運(yùn)行了, 因?yàn)檫€沒(méi)有拿到任何投資, 所以小白同學(xué)很苦逼的每月剩下了外出和小伙伴們吃燒烤的200元錢租了XX云的虛擬主機(jī), 開(kāi)始運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目. 由于小伙伴們都很捧場(chǎng), 業(yè)務(wù)飛速的發(fā)展了起來(lái), 很快就有小伙伴來(lái)抱怨, 頁(yè)面打開(kāi)越來(lái)越慢, 有時(shí)候點(diǎn)一個(gè)按鈕要反應(yīng)好一會(huì)兒.

這個(gè)時(shí)候小白趕緊連上服務(wù)器,并且用top命令一看?

top命令查看服務(wù)器負(fù)載

結(jié)果發(fā)現(xiàn)其實(shí)服務(wù)器并沒(méi)有和我們想象的一樣忙成狗, 其實(shí)在大多數(shù)時(shí)候, 我們的程序并沒(méi)有純粹的就是在"計(jì)算", 因?yàn)閃eb應(yīng)用大多數(shù)時(shí)候都沒(méi)有什么好算的, 大部分的時(shí)間其實(shí)都浪費(fèi)在了IO等到上面.

我們看看一個(gè)頁(yè)面的執(zhí)行一共經(jīng)歷了那些步驟:

web請(qǐng)求的執(zhí)行過(guò)程

當(dāng)一個(gè)頁(yè)面從請(qǐng)求到在瀏覽器上看到的時(shí)候, 其實(shí)就經(jīng)歷了上面的完整步驟, 但是, 如果刷新頁(yè)面后, 顯示的內(nèi)容沒(méi)變, 但是其實(shí)還是把上面的流程走了一遍, 這個(gè)時(shí)候就產(chǎn)生了很多冗余的步驟, 那么這個(gè)時(shí)候我們就需要用緩存來(lái)消除重復(fù)執(zhí)行的操作. 緩存的第一個(gè)作用:?

減少重復(fù)操作的步驟

減少重復(fù)操作能帶來(lái)多大的性能提升呢, 我們來(lái)舉個(gè)例子. 拋開(kāi)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和IO問(wèn)題, 我們用純計(jì)算的例子, 計(jì)算斐波那契數(shù)列. 我們用python來(lái)做例子, 如下:

遞歸計(jì)算斐波那契數(shù)列

這段代碼和斐波那契數(shù)列的經(jīng)典公式幾乎是等價(jià)的, 我們假設(shè) fib_recursion(5) 的話, 計(jì)算過(guò)程入下圖:

fib_recursion(5)時(shí)的計(jì)算過(guò)程

由上圖可見(jiàn), 計(jì)算了2次fib(3),3次fib(2)，5次fib(1)... 那么當(dāng)參數(shù)更大的時(shí)候, 必然會(huì)產(chǎn)生更多的冗余計(jì)算. 顯而易見(jiàn)的, 冗余的計(jì)算會(huì)增加開(kāi)銷, 降低運(yùn)算速度.

那么我們改進(jìn)算法為迭代的方式:

迭代版的菲波那契數(shù)列代碼

這個(gè)時(shí)候我們通過(guò)變量b來(lái)緩存了中間計(jì)算結(jié)果, 減少了冗余計(jì)算.效果我們通過(guò)timeit模塊來(lái)測(cè)試, 首先是遞歸的方式:

timeit.timeit('fib_recursion(30)', setup='from fib import fib_iter, fib_recursively', number=100)

返回的時(shí)間是 48.77794599533081's

再來(lái)看迭代的方式:

timeit.timeit('fib(30)', setup='from fib import fib_iter, fib_recursively', number=100)

返回的時(shí)間是 0.0013899803161621094's

可見(jiàn)在減少冗余操作帶來(lái)的效率提升能有多大了.

緩存的第二點(diǎn)就是將常用數(shù)據(jù)放在更快的存儲(chǔ)設(shè)備中,下面圖是不同的存儲(chǔ)設(shè)備的訪問(wèn)時(shí)間量級(jí)的表格:

存儲(chǔ)設(shè)備訪問(wèn)時(shí)間量級(jí)

L1 L2 L3 Cache這類不是用戶級(jí)別代碼能操作的, 所以Pass. 我們主要討論的是剩下的幾中方式. 由圖可知, 數(shù)據(jù)庫(kù)和文件訪問(wèn)是比較耗時(shí)的, 而內(nèi)存的訪問(wèn)速度則是千倍于磁盤和數(shù)據(jù)庫(kù). 而由于摩爾定律的影響, 現(xiàn)在的內(nèi)存價(jià)格一降再降, 服務(wù)器上的內(nèi)存也從十幾年前的幾個(gè)G瘋漲到了好幾百G, 而大部分時(shí)候服務(wù)器的內(nèi)存空閑量都是比較大的, 那么為什么不利用內(nèi)存來(lái)加速IO的訪問(wèn)呢. 所以內(nèi)存緩存就興起了, 比如memcache, Redis等現(xiàn)在基本成為了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用(網(wǎng)站, App后端)的標(biāo)配了.

Web應(yīng)用所用緩存的種類

我們從客戶端開(kāi)始到服務(wù)端由近及遠(yuǎn)的來(lái)說(shuō)說(shuō)我們能用到那些種類的緩存

客戶端緩存

離客戶最近的就是最快的, 最快的緩存方式莫過(guò)于客戶端緩存, 因?yàn)榭蛻舳司彺鎾侀_(kāi)了所有不必要的步驟, 不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò), 不用服務(wù)器處理, 直接能返回訪問(wèn)過(guò)的內(nèi)容. 原理很簡(jiǎn)單, 就是把每個(gè)url對(duì)應(yīng)的內(nèi)容存在本地磁盤上, 下一次訪問(wèn)的時(shí)候直接從磁盤讀出來(lái)顯示. 但是這種方式有個(gè)弊端, 就是如果服務(wù)器上的內(nèi)容發(fā)生了變更的話, 客戶端是不會(huì)知道的, 所以, 萬(wàn)一你把內(nèi)容發(fā)布出去了后發(fā)現(xiàn)寫(xiě)錯(cuò)了, 要修改, 那么修改前訪問(wèn)過(guò)的用戶看到的還是錯(cuò)的內(nèi)容. 針對(duì)這個(gè)情況, HTTP協(xié)議有定義相應(yīng)的應(yīng)對(duì)辦法, 就是響應(yīng)的expire信息, web服務(wù)器或者web應(yīng)用都可以指定返回的內(nèi)容的expire, 也就是描述內(nèi)容的過(guò)期時(shí)間, 可以是幾秒, 幾分鐘, 幾小時(shí), 幾天,幾個(gè)月, 幾年, 甚至是永久, 客戶端收到URL響應(yīng)的expire就會(huì)根據(jù)這個(gè)來(lái)設(shè)置緩存內(nèi)容的過(guò)期時(shí)間.?

但是這種靜態(tài)的設(shè)置方式對(duì)靜態(tài)內(nèi)容是適用的, 比如靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè), 圖片, css, js等, 但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)的內(nèi)容就不行了, 比如商城系統(tǒng)里看到的貨物剩余數(shù)量什么的, 客戶端緩存因?yàn)楫?dāng)內(nèi)容改變后, 服務(wù)端無(wú)法通知對(duì)應(yīng)的緩存失效, 而只能采用固定的失效時(shí)間, 所以一般只應(yīng)用到發(fā)布的靜態(tài)內(nèi)容.

CDN

CDN的全稱是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content delivery network), 作用是把內(nèi)容從你的服務(wù)器搬運(yùn)到里用戶最近的服務(wù)器, 當(dāng)你訪問(wèn)內(nèi)容的時(shí)候, CDN會(huì)自動(dòng)的把請(qǐng)求發(fā)送到離你最近的緩存服務(wù)器. 原理如下圖:

CDN原理

由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性(國(guó)內(nèi)國(guó)外互通的帶寬和延遲問(wèn)題, 國(guó)內(nèi)南北互通的問(wèn)題), 我們沒(méi)法保證服務(wù)器到任何地方的網(wǎng)絡(luò)都能一樣的快, 所以, CDN將緩存服務(wù)器分布到很多地方的數(shù)據(jù)中心, 并且通過(guò)高效的調(diào)度協(xié)議, 在一個(gè)資源在一個(gè)地方被訪問(wèn)后就會(huì)緩存在最近最快的緩存服務(wù)器上, 以后里這個(gè)服務(wù)器最進(jìn)最快的用戶客戶端在請(qǐng)求這個(gè)資源的時(shí)候都會(huì)直接從這個(gè)服務(wù)器返回, 訪問(wèn)的用戶越多, 緩存命中的機(jī)率就會(huì)越大, 加速的效果也會(huì)越明顯.

CDN明顯不適合小規(guī)模的應(yīng)用, 因?yàn)榈谝? CDN服務(wù)是收費(fèi)的, 按流量計(jì)費(fèi), 很貴. 第二, 因?yàn)樾∫?guī)模應(yīng)用訪問(wèn)的人少, 所以命中率不高(失效期端短的時(shí)候).

早期的CDN大多用來(lái)緩存靜態(tài)內(nèi)容, ?比如視頻, 圖片, CSS, JS等, 但是最近技術(shù)發(fā)展后新的CDN技術(shù)也可用來(lái)緩存動(dòng)態(tài)內(nèi)容, 比如提供了接口可以讓服務(wù)端通知CDN某個(gè)資源過(guò)期.

HTTP服務(wù)器緩存

不管是Nginx, 還是IIS亦或者是Apache都提供了緩存, 工作的方式基本上都是類似的, 訪問(wèn)過(guò)的資源直接返回, 本著又去有用屁話少的原則這里就不贅述了.

應(yīng)用頁(yè)面緩存

在應(yīng)用服務(wù)中的控制器輸出的時(shí)候, 部分Web框架會(huì)提供頁(yè)面緩存機(jī)制, 這個(gè)級(jí)別的緩存是用戶代碼可以控制的, 所以對(duì)于動(dòng)態(tài)應(yīng)用來(lái)說(shuō), 可以精確的在內(nèi)容更新后立即讓緩存失效, 從而不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)容更新了而客戶端獲取的內(nèi)容不更新的情況.

應(yīng)用緩存

在應(yīng)用程序的執(zhí)行邏輯中通過(guò)緩存API去訪問(wèn)的緩存服務(wù), 有可能是Web框架提供的, 也有可能是諸如memcache或者Redis這樣子的外部服務(wù), 通過(guò)對(duì)應(yīng)的API訪問(wèn), 甚至可以是你自己實(shí)現(xiàn)的.

建議直接使用成熟的memcache或者Redis, 因?yàn)槿绻苯佑眠M(jìn)程內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接緩存數(shù)據(jù), 雖然訪問(wèn)速度是最快的, 但是如果應(yīng)用程序在多進(jìn)程環(huán)境下執(zhí)行的話就會(huì)存在數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題, 并且還會(huì)在多個(gè)進(jìn)程中存在緩存數(shù)據(jù)的多份COPY. 如果是訪問(wèn)本地的磁盤來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存的話, 因?yàn)榇疟P的效率和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)內(nèi)存緩存服務(wù)的效率大致相仿, 但是還是存在不能跨服務(wù)器的問(wèn)題, 所以在將來(lái)擴(kuò)容的時(shí)候還是會(huì)扯到蛋, 不如直接一次性到位了.

關(guān)于應(yīng)用緩存的應(yīng)用多半是在讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候, 使用上也是有非常多的注意事項(xiàng)的, 特別是涉及到事務(wù), 詳細(xì)的可以參加下文:?酷殼:緩存更新的套路

如果上文的套路太深的不好實(shí)施的話, 有個(gè)比較小白的辦法就是, 在涉及到更新的操作, 不要使用緩存的對(duì)象, 重新從數(shù)據(jù)庫(kù)讀一個(gè)出來(lái)會(huì)比較靠譜.?

數(shù)據(jù)庫(kù)緩存

數(shù)據(jù)庫(kù)緩存是現(xiàn)代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)配置了, 除了運(yùn)維修改數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置能夠影響數(shù)據(jù)庫(kù)緩存的話, 用戶代碼基本上不會(huì)碰到這部分, 不過(guò)我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用的時(shí)候還是需要考慮到的數(shù)據(jù)庫(kù)緩存對(duì)訪問(wèn)速度的影響. 比如MySQL對(duì)緩存的敏感度就很高, 緩存越大, 跑得越快. 并且大多數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)查詢, 排序, 結(jié)構(gòu)維護(hù)都有獨(dú)立的緩存, 如果緩存設(shè)置和實(shí)際情況不符的話, 不但不能加速, 反而會(huì)適得其反.

關(guān)于數(shù)據(jù)庫(kù)緩存的部分已經(jīng)不屬于小白需要掌握的部分了, 如果小白想要深入成為老白或者老鳥(niǎo)的話, 請(qǐng)找找相關(guān)的資料, 比入:

MySQL · 特性分析 · 執(zhí)行計(jì)劃緩存設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?傳送門

MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)性能優(yōu)化之緩存參數(shù)設(shè)置?傳送門

更多的請(qǐng)自行搜索...

在項(xiàng)目中應(yīng)用緩存

在掌握了上述一堆緩存技術(shù)后, 小白就開(kāi)始著手將他們應(yīng)用在系統(tǒng)中.?

首先是客戶端緩存的設(shè)置, 針對(duì)所有的靜態(tài)頁(yè)面, 比如關(guān)于, 登錄, 注冊(cè), 首頁(yè), 都設(shè)置較短時(shí)間, 比如1小時(shí)或者1天左右的緩存.

CDN可以采用又拍云或者七牛云的服務(wù), 這兩家都有免費(fèi)額度, 可以把圖片和CSS, JS都放上面, 這樣所有的靜態(tài)內(nèi)容都從自己的服務(wù)上剝離出去了.

在系統(tǒng)內(nèi)部加入Redis或者memcache作為應(yīng)用緩存在各個(gè)服務(wù)之間作為數(shù)據(jù)管道和緩存中間計(jì)算結(jié)果.

所以修改后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就入下圖:

加入緩存后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

然后小白的網(wǎng)站又重新快了起來(lái), 而且沒(méi)有增加一分錢的開(kāi)銷(因?yàn)橛昧似吲；蛘哂峙牡拿赓M(fèi)額度). 然后用戶量又能蹭蹭的漲起來(lái)了.

然而天有不測(cè)風(fēng)云, 某日風(fēng)和日麗, 但是網(wǎng)上暗潮洶涌, 服務(wù)器到豆瓣的網(wǎng)絡(luò)連接突然斷掉了, 這個(gè)時(shí)候很多用戶又在通過(guò)ISBN查書(shū)籍信息, 然后小白的服務(wù)也跟著掛掉了.

所以下一章我們來(lái)聊聊 后臺(tái)服務(wù)與異步任務(wù)

to be continue...