全棧必備——快取Cache

Cache： a collection of data duplicating original values stored elsewhere on a computer, usually for easier access—— 維基百科

快取是系統快速響應中的一種關鍵技術，是一組被儲存起來以備將來使用的東西，介於應用開發和系統開發之間，是產品經理們經常顧及不到的地方，算是技術架構中的非功能性約束吧。

也就是說，快取是系統調優時常用且行之有效的手段，無論從作業系統還是應用系統，快取策略無處不在。

很多技術都打著快取的旗號，所以談起快取往往似是而非，與語境有著緊密的關係，換個說法，來看一看快取在不同場景的分類。

客戶端快取

瀏覽器的快取可以將之前渲染的頁面儲存為檔案，當使用者再次訪問時可用避開網路連線，從而減少負載。現在的HTML5支援了本地儲存，大部分BS 應用都可以舉重若輕了。

如何把客戶端快取對於業務元件透明和客戶端快取資料及時更新，是客戶端快取能否成功應用的關鍵。

客戶端可以將內容快取在記憶體，檔案，或本地資料庫（例如Sqlite）中。

例如，iOS 的圖片快取框架SDWeb架構如下：

SDweb

web代理

web 代理的作用跟瀏覽器的內建快取類似，只是位於瀏覽器和網際網路之間，網路請求通過代理來中繼。對於企業而言，即可以節省成本，又能提高效能。

對於Web代理而言，曾經流行的是Squid，它支援建立複雜快取層級結構的能力，詳細的日誌、高效能快取以及使用者認證支援。Squid同時支援各種外掛，例如Squid Guard就是一個提供URL過濾的外掛，對於遮蔽某些站點和內容十分有用。如果想分析Squid的各種指標，webalizer 應該是個不錯的選擇。

Squid 的內部機制如下：

Squid

邊緣快取

邊緣快取位於應用伺服器的前面，可以處理來自不同使用者的請求，主要用於向使用者提供靜態的內容，以減少應用伺服器的介入。邊緣快取的商業化服務就是CDN了，例如AWS 的Cloud Front，我國的ChinaCache等。

邊緣快取的一個有名的開源工具就是Varnish，在預設情況下進行保守快取。也就是說，varnish 只快取它所知的安全內容。varnish的一個特性是使用虛擬記憶體，精妙之處在於利用了作業系統的管理機制。varnish可以高度定製如何處理請求，快取哪些內容。

Varnish 的內部機制如下：

Varnish

詳情參見www.varnish-cache.org。

平臺快取

平臺快取是用來寫應用的框架，或者快取的專用庫（如PHP中的Smarty模版庫）。

Java 語言中，快取框架更多，例如Ehcache，Cacheonix，Voldemort，JBoss Cache等等。

看一下EHcache的系統結構結構：

EHCache

Ehcache是一個Java實現的開源分散式快取框架，可以讓資料儲存在不同伺服器的記憶體中，在需要資料的時候可以快速存取。通過宣告配置、在xml中配置、在程式裡配置或者呼叫構造方法時傳入不同的引數。

Voldemort是一款基於Java開發的分散式鍵-值快取系統，像JBoss Cache一樣，Voldemort同樣支援多臺伺服器之間的快取同步，以增強系統的可靠性和讀取效能。

Voldemort

簡單來說，就平臺級快取而言，只需要在框架側配置一下屬性即可，而不需要呼叫特定的方法或函式。

應用快取

應用級快取，需要自己通過程式碼來實現快取。這裡是NoSQL的勝場，不論是Redis 還是MongoDB，都可以作為應用快取的工具。一個典型的方式是，每分鐘或一段時間後統一生成某類頁面儲存在快取中，也可以在熱資料變化時更新快取。

Redis 在應用級快取中的作用舉足輕重，新浪微博有著幾乎世界上最大的redis 叢集。 Redis支援主從同步。資料可以從主伺服器向任意數量的從伺服器上同步，從伺服器可以是關聯其他從伺服器的主伺服器。這使得Redis可執行單層樹複製。存檔可以有意無意的對資料進行寫操作。由於完全實現了釋出/訂閱機制，使得從資料庫在任何地方同步樹時，可訂閱一個頻道並接收主伺服器完整的訊息釋出記錄。同步對讀取操作的可擴充套件性和資料冗餘很有幫助。

Redis 的客戶端程式語言眾多，可以滿足絕大多數的應用。

Redis_client

資料庫快取

資料庫快取是一類特殊的快取。大多數資料庫不需要配置就可以快速執行，但並沒有為特定的需求進行優化。在資料庫調優的時候，快取優化是一項很重要的工作。

以MySQL為例，MySQL中使用了查詢緩衝機制，將SELECT語句和查詢結果存放在緩衝區中，以後對於同樣的SELECT語句，將直接從緩衝區中讀取結果，以節省查詢時間，提高了SQL查詢的效率。

通過調節以下幾個引數可以知道query_cache_size設定得是否合理：

• Qcache inserts
• Qcache hits
• Qcache lowmem prunes
• Qcache free blocks
• Qcache total blocks

當然，深入資料庫還有很多值得學習的地方。

快取的協議支援

對web應用而言，http1.0 提供了一些很基本的快取特性，例如在伺服器側設定Expires 的http頭來告訴客戶端在重新請求檔案之前快取多久是安全的，可以通過if-modified-since 的條件請求來使用快取。其中，傳送的時間是檔案最初被下載的時間，而不是即將過期的時間，如果檔案沒有改變，伺服器可以用304-Not Modified 來應答。客戶端收到304程式碼，就可以使用快取的檔案版本了。客戶端可以設定Pragma:no-cache從伺服器之間獲取內容。

Http 1.1有了較大的增強，快取系統被形式化了，引入了實體標籤e-tags,是檔案或物件的唯一標識。這意味著可以請求一個資源、提供所持有的檔案，然後詢問伺服器這個檔案是否有變化。如果某一個檔案的e-tag 是有效的，伺服器會生成304-Not Modified 應答，並提供正確檔案的e－tag，否則，傳送200-OK應答。以瀏覽器為例的示意圖如下：

關於HTTP2.0中有關快取的技術，還有待研究。

總而言之，快取——cache，是一種挺複雜的技術，除了應用場景之外，更進一步，還要理解命中，Cache Miss，儲存成本，索引成本，失效，替代策略的諸多概念，從而瞭解快取演算法，真正的掌握快取技術。