高速输出-我们戏说缓存

Posted 2022-02-10 viter

前言

缓存要解决的问题是速度的问题，使用缓存的目的是为了减少对物理资源的访问，缓存大量的应用在软硬件的方方面面，从 CPU 到硬盘，就应用了 一级缓存、二级缓存，少部分高速缓存和大量低速缓存相结合，以提高 CPU 的计算能力，本文讲的主要是系统集成项目中的软件级别的缓存。

缓存因果图

缓存在现代系统中的位置可以说是举足轻重，不是可有可无的问题了，而是怎么样用好的问题。怎么样讲好缓存这个话题，我思考了很久；如果是生搬硬套，我估计我肯定是凉凉，但要是上来就一顿代码操作，显得字太多，各位看官老爷也是要喷死我的（你们喷我算我赢）。各位看官就当故事随便看看就好了。

客户端缓存

小明同学是一个大学生，每个月都会从爸爸那里领取生活费，由于爸爸给的生活费比较充裕，他就将一部分存了起来，周而复始，固定频率，这就是浏览器网页缓存；有一天，他接到爸爸的一个电话，说每个月给现金，我总是从银行拿也不方便，这样，咱给存银行卡里头，但是说好了，每个月1号的时候转1000块进去，3号之前可以领取，过时不侯。这就是 Cookie！小明说爸，这时间太紧迫了，我万一太过于专心学习忘记取钱那你儿子可是要饿死的吖，到时候没人给你养老送终事儿就大了。他爸爸经过深思熟虑后，决定放开取现时间的限制：行，你想什么时候取都成，就是别把卡给弄掉了就行。这就是LocalStorage/IndexDB，浏览器本地存储。如果银行卡掉了（浏览器重装，删库跑路），那还得找爸爸。

服务器缓存

我们本次讨论的重点就是服务器缓存，对于小明的爸爸来说，每次给小明生活费之前都要到银行（数据库）去取钱出来，实在是太麻烦，不如提前把钱取出来准备好，每次取半年的钱出来放家里保险箱里（缓存），小明申请生活费的时候，直接给他就好了，节约时间效率又高，唯一的问题就是可能没那么安全，有可能被小偷把钱给偷了（缓存更新），然后就是半年时间过后再重新取一笔出来（缓存过期策略）。

静态对象缓存

静态对象也是一种特殊的缓存，静态对象作用于程序的整个生命周期中。需要注意的是，静态对象不会被 GC 回收 ，但是，如果静态对象被多次引用覆盖，那么之前的引用就有可能被 GC 回收。这就好像，小明在向爸爸领取生活费的时候，发现这次领到手的钱实在是太破旧了，都不好意思花出去，爸爸只好重新给了另一份。

会话级缓存

在 Web 站点中，Session 是私有制的，各个 Session 之间是不会共享内存对象的，我们可以利用这个特性（在Asp.NET 时代常用）来暂时保存一些数据，例如用户购物车。还是以小明的需求为例子，小明下面还有一个妹妹，妹妹每个月都可以从爸爸那里多领取200元生活费，看到妹妹的资源这么好，小明愤愤不平，就像妹妹提议共享生活费，一家人一起用，多好吖！结果小明被爸爸揍了一顿，还收回了部分生活费。

进程级别缓存

基本上每个应用程序都具有本地缓存的能力，在 Asp.NET 中就有 MemoryCache ，也叫做进程级缓存（本地缓存），MemoryCache 和 分布式缓存的作用基本一致，所不同的是，本地缓存在应用程序停止后就会被释放掉，无法进行持久存储。就好像，小明在上大学期间，每个月都是生活费的，但是到暑假的时候就没有了（只能靠苦逼的暑期工挣点生活费啊）。

分布式缓存

分布式缓存是个好东西，目前市场上出现了非常多的 nosql 数据库，都可用作缓存数据库，有时候，这些缓存数据库也提供持久化的能力。

小明家的生活条件，在经过爸爸的不懈努力之后，生活水平渐渐提高了；有一天，爸爸对小明说：明仔吖，咱们家现在生活水平提高了，但是爸爸也越来越忙了，这样，如果我忙的时候，你问妈妈或者爷爷奶奶，也是可以拿到生活费的，咱们家这几位长辈手里都有钱了，这就是分布式缓存。

但是分布式缓存又分为主从模式和集群模式，上面说的是集群模式，爸爸妈妈爷爷奶奶都可以拿钱，但是主从模式就不同了，主从模式就是钱都在爸爸手里，爸爸会把钱分给每个长辈一份，如果当时正好爸爸太忙了，没来得及分给妈妈，而小明又恰好问妈妈要生活费的话；妈妈只能对他说：小命呀，不好意思，妈妈这里也没有，你看看再问问其它人（客户端自己轮询），在问了妈妈、爷爷后（引用指向），终于知道，钱在爸爸那里，还得问爸爸要生活费。而且爸爸给其它人分钱的时候，还要占用他工作的时间。

缓存雪崩

缓存雪崩就是在某一个时刻，大量的缓存同时失效，造成数据库访问压力倍增。小明的爸爸最近压力比较大，因为收入减少了，他爸爸做的一个工程因为种种原因，货款只能分期付清，为了防止小明和妹妹同时申请生活费，造成资金周转困难；爸爸规定妹妹 1 号领取生活费，而小明在 5 号才能领取，小明心里的苦啊！

缓存穿透

缓存穿透就是客户端总是尝试访问某个不存在的缓存，造成了每次都要取请求数据库读取数据。就好像小明吧，本来生活挺平静的，这刚上大二，就交了个女朋友，每个月的 1000 元生活费有点捉襟见肘，然后他又不能让爸爸知道，就在申请生活费的时候，每次都多要一点；这样就搞得爸爸很被动，本来计划得好好的，每个月都是 1000 块，这没次都不够，老是要跑银行取现金，终于在3个月后，爸爸发现了这个问题，想着儿子也大了，为了早日抱上孙子，就提高了小明的生活费，解决了每次都要跑银行的问题。

缓存击穿

缓存击穿和缓存雪崩有点类似，其中不同的是；缓存雪崩是大量缓存 key 同时过期，而缓存击穿是大量的请求指向同一个缓存key，在这个 key 过期的时候，大量的请求涌入数据库中，造成了瞬间巨大的压力。举个栗子，因为小明交了女朋友的原因，他的生活费总是很快用完了；这种情况下，他也必须在 1 号的时候拿到生活费，不然就要吃土了，但是妈妈不允许他们一起取打扰爸爸，妈妈就指定了妹妹去问，在妹妹没有回来之前，小明只能等着，这就是为了解决缓存击穿而采用的策略：互斥锁(mutex key)

运维级别缓存

除了在应用程序中可以接入缓存以外，部分运维工具也集成了缓存服务，比如 nginx、IIS。

代理缓存

Nginx 就是反向代理缓存，通过配置 Nginx 的缓存功能，在客户端请求到来到时候去加载缓存内容，用以提高响应能力，IIS 缓存又分为用户缓存和内核缓存。IIS 的输出缓存设置中，内核模式缓存不会对验证等用户信息进行检查，就好像小明等爸爸因为太赶时间，把钱放门卫大妈那里了，结果随便来了个学生就把小明等生活费给领走了，但是加上用户模式缓存后，就可以添加对身份的检查（请求标头），这样大妈就会知道谁是小明而不会随便把生活费交给别人了。

网页静态化

这种技术，在 Web1.0 时代非常的流行，我还记得那些个年头的网站开发项目中的要求，大部分项目的需求分析文档里面就明晃晃的写着：网页静态化！，而静态化常见于各种企业型、论坛帖子，在发表这些信息后就将其生成静态网页，客户端访问的时候，直接重定向到该静态网页，基本无需访问数据库。

CDN 缓存

CDN 缓存类似于上面提到的分布式缓存，但是实际上 CDN 缓存服务目前来说，主要说针对静态资源的，比如图片、视频、文件等等；大家经常可以看到，很多站点都号称提供了 CDN 加速服务，这些站点就像一个个代办信用卡的销售中介，实际上拿的都是银行的资源。

更形象一些的说法，就是大家的钱都是中国人民银行发行的，我们可以通过各个不同的银行（CDN节点）查询我们的银行卡余额（我怎么可能有余额），在以前没有手机银行的时候，大家就可以到附近的银行去查询，然后取款（CDN缓存），如果附近的银行的柜员机没有现金，那么可能就需要到总行去取了（回源），如果发生了太多回源的事件，就会造成 CDN 的拥堵，所以 CDN 服务商也不敢打包票自己的基础服务没有问题，反正我是没见到哪家 CDN 服务商敢注明服务稳定性 100%，基本上都是 99.99%

结束语

缓存的理论知识，其实是非常宏大的，我这里只是抛砖引玉，希望能给入门的朋友带来一点帮助，如果你喜欢这篇文章，请给我点赞，让更多同学可以看到。