关于缓存问题的思考与总结

Posted 2022-12-28 adventure.Li

提到缓存，最容易想到的便是Redis了。Redis凭借其出色的性能表现，十分适合做缓存。那么为什么需要缓存这个东西以及缓存用在哪些地方呢？

一、基本原理

存储层次模型

注：也是背景来源

想要设计好的架构或者应用、程序，一个稳定的思想、原理至关重要。计算机系统结构中的八大伟大思想，指引我们设计的计算机体系结构十分高效。其中的 存储层次结构 是至关重要的 一点，现代计算机的存储层次大致如下图所示。

对于用户角度，我们最关心的便是 响应速度，它也是性能指标的核心指标。任何程序应用都是以用户为中心，因此设计 应用 我们在满足功能的情况下则会去 追求 尽可能的 快！。而对于 程序 的 运行 基本上会经历以下步骤：

• 编写文本文件，即源程序（静态文件），存储于 磁盘
• 创建进程：为程序分配内存资源等，将程序装载至内存。
• 启动程序：进程调度至CPU，将PCB的虚拟地址空间的信息加入至寄存器（上下文切换时，会将基地址写入唯一的 基地址寄存器）
• CPU读入内存中程序段，然后数据段等程序信息。（省略MMU进行虚拟地址转换等步骤）
• CPU进行程序的处理，读取CPU Cache ，寄存器（指令寄存器）
• 进行计算、存储等操作

在这过程中，越离CPU的近的地方速度则越快。所以说我们为了更快则需要将程序尽可能离CPU近，但是 资源是稀缺的，越快则意味着造价越高，我们需要在 成本 和 性能之间做出平衡。因此，我们只有想办法，让我们离CPU近的地方尽可能地存放我们需要使用的数据。这是则出现了另外一个重要的思想：程序局部性原理。

局部性原理

大约是1961年时，该思想被提出来。程序局部性原理，是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体来说，局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性。

• 时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中）。

• 空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。

这种概率统计学理论，的确也十分符合人的自然规律，例如80%的财富掌握在20%手中，考试也总是喜欢考察20%的重点内容。而该种思想和 预测 （指令分支预测）有点相似。

因此，缓存则基于以上的背景诞生了。用容量较小但性能较高的存储器去存储大量数据中重要(频繁使用)的数据。

二、场景应用

计算机系统

• 内存和CPU寄存器间：CPU Cache；同时一次性读取Cache Line的数据，来预测下次访问。
• MMU中的 页表（存于内存）和寄存器：TLB，快表，加快地址映射速度。

网络应用

• DNS解析过程中的（浏览器、OS的缓存）
• CDN缓存
• Cookie机制

系统级应用

• mysql BufferPool对磁盘数据

Java开发应用

• Mybatis的缓存机制
• JVM进程内缓存
• Redis做热点数据缓存

三、思考总结

作用

缓存也是加一个抽象层/中间层。它的作用是缓解压力，提升速度（和消息队列中间件的作用类似）；而像OS这样的中间层（加在硬件和用户间的）是易用性，提升用户的可操作性）

问题

加了抽象层，则会带来复杂性。例如redis和database之间的双写问题处理。CPU Cache中多核情况下考虑一致性问题。【归纳来说则是一致性问题-上下级的一致性】，追求的目标则是尽可能 缓存 高命中率 的数据，及时淘汰不需要的数据。【以及考虑缓存预读问题和污染问题等】

• 缓存介质带来的不可靠性。（一般使用内存做缓存的话，若机器故障，如何保证缓存的高可用？可考虑对缓存进行分布式做成高可用，同时，需要接受这种不可靠不安全会给数据带来的问题，在异常情况下进行补偿处理，定期持久化等方式）

• 缓存的数据使得更难排查问题。因为缓存命中是随着访问随时变化的，缓存的行为难以重现，使得出现BUG很难排查。

• 进程内缓存可能会增加GC压力：在具有垃圾收集功能的语言中（如Java），大量长寿命的缓存对象会增加垃圾收集的时间和次数。

对比缓冲池、消息中间件

像缓冲池、消息中间件更多地是缓解读写的频率的压力，让调用的频率不那么集中在某个时间段来提升效率，例如 文件IO中的 缓冲IO则是在标准库设计 缓冲 ，先将 数据存入 缓冲 达到了一点量再统一写入，这样一来就减少了 IO的集中调用压力和进程的上下文切换压力。

对比缓存，更多需要去 预见 性，去预测 后面的命中率。

参考：https://blog.csdn.net/u013065023/article/details/54670694