理解缓存

最近公司一直在招人，我作为主考官之一 。经常会提问的一个问题，就是让用户介绍自己在缓存方面的经验和心得。绝大多数的面试者只能说ASP.net的页面缓存和局部缓存，稍稍有点经验的，会提到企业库的缓存，只有很少的人会知道Memcached（一个分布式的缓存）。而对于缓存的一些基本思想，却没有一个人能说出来。

　　现在的技术人员，很多时候，不管三七二十一，把一个个实体丢到缓存中，然后在用的时候，就从缓存中去找这个实体。而不会考虑缓存的其他方面因素。所以他们在提到缓存时，想到的才只能是一个个的缓存实现的方法，而不是缓存的思想。

　　那么，肯定就有人问，蝈蝈俊，那你理解的缓存思想是如何的呢？下面我就一一来说出我理解的缓存。

 

Q：什么样的缓存才是好缓存？

　　能解决问题的缓存就是好缓存。这句话简直就是废话，相当于白猫、黑猫，抓住老鼠的就是好猫。

　　那在解决问题前提下，哪个缓存才是好缓存呢？   这个问题我的答案是：缓存命中率高的缓存是好缓存。

　　在解决问题前提下，命中率高的缓存比命中率低的缓存，在硬件投入上可能会比较小，同时缓存的数量比命中率低的缓存数量也可能少，这样寻址的速度肯定比较快。所以命中率高的缓存是好缓存。

 

缓存的命中率

　　一个缓存的实体在被丢到缓存中后，在这个实体被缓存的期间（这个实体被缓存的生命周期内），如果外部一次都没有使用过它，这个缓存实体的命中率就是0。这个实体被请求的次数越多，它的缓存命中率越高。

　　上面说的是缓存中一个实体的命中率。对于缓存整体来说，它的命中率则是上面各个被缓存的个体的命中率分布图。

　　对于缓存来说：通常最常使用的个体之占总体的很小一部分。最不常使用的占整体的很大一部分。如下图所示：

　　所以我们经常会看到类似这样的数据：

　　缓存的1万个元素中，有100个被频繁的使用，几乎每分钟都会被使用一次。2000个数据，每小时被请求一次。3000个数据，每天被请求一次，剩下的数据，被丢到缓存中后一次都没有被使用过。

　　现在硬件发展很快，如果我们只是需要缓存1万个数据的话，我们完全可以做到不管这1万个数据是否被使用到，全部丢到缓存，这样只要找数据，肯定缓存中有这个数据。而不需要作额外的运算，或者不需要向数据库发出请求。

　　但是：硬件发展快，数据量发展也快。小型的网站，缓存1万条数据，也就全部缓存了。但是大型网站最少也是上百万的数据量或者上T级别的数据，这些数据量显然不能都丢到缓存。这时候设计一个合理的缓存方案，提高缓存的命中率，就非常重要。而且是必须的。

 

提高缓存命中率的一些常见方法

　　纯技术的角度来说，我们只有记录了用户的单位时间的请求数，并依照这个信息来把最常被使用的数据缓存起来。

　　但更多的时候，我们是根据业务逻辑来提高缓存命中率的。比如：去年，前年发表的博客，这类文章的浏览请求，一般一天至少可怜的几次。一般不应该缓存到内存中。

　　又比如，回复数多的帖子，一般被请求数会比回复数少的帖子会被更多人次看到。　

　　我们应该通过上面逻辑，根据我们实际业务逻辑，提供一个缓存算法，提高缓存的命中率。让在我们硬件允许的条件下，缓存适当的数据，而不是所有数据。

 

　　一个反面的例子就是：不管三七二十一，一个大型的博客站点，一篇文章被用户请求的时候，发现不在内存缓存中，就从数据库中读出，然后丢到缓存。

　　要知道，现在爬虫程序很多的。另外，博客这类搜索引擎友好的站点，决大多数的访问压力是搜索引擎搜索过来的。而这些访问一般都是1小时，或者1天之内，对某篇文章只有几次甚至1次请求，之后再也没有了。上面作缓存的方法，命中率会非常低的。

　　这里也许就有人会问，郭红俊，既然你不建议我缓存这些博客的内容，但是我如何提高我站点的性能呀，我至少得保证我博客站点不会速度慢的无法响应用户请求呀。

　　这个问题的解决方案有很多，一个最简单的方法就是把这些博客做成静态Html页面，也就是文件系统的缓存，文件系统因为硬盘的原因，可以简单理解成可以无限扩容，这样就可以把很多命中率低的内容进行缓存。

　　如果你的页面需要一些动态逻辑判断，你可以把数据缓存成XML文件，然后服务器段整合这些XML文件，或者是包含文件。这也是种不错的方法。

 

说了这么多缓存命中率的问题，简单汇总一下 缓存命中率的观点 ：

1. 小型网站可以全部数据缓存，一般压力也不会很大，可以忽略缓存命中率问题。
2. 大型服务无法全部数据缓存，只能部分数据缓存，这时候就需要架构师设计出对该业务逻辑适用的缓存方法，尽可能的提高缓存的命中率。
3. 提高命中率的方法大多是跟业务逻辑捆绑的，需要跟具体问题具体分析
4. 对于不能被内存缓存的数据，最简单的提高性能方法就是使用文件缓存。
5. 文件缓存可以整个内容缓存成一个静态文件；也可以是整个页面的一个区域被缓存成一个文件，然后被包含；也可以是把一个实体序列化成XML文件进行缓存。

 

下面我们看看缓存的其他几个不那么重要的方面：

 

缓存的生命周期内的活动

　　永久不过期，永久不变更的内容，这类东西就不应该放在缓存。缓存是临时的存储，而不是永久的，所以缓存的生命周期是有限的。

　　它依次可能会经历如下活动：

1. 进入缓存。（进入缓存的时候，可能需要指定它以后的过期策略，如果不指定，需要使用系统默认的过期策略）
2. 从缓存中获得它，注意，这时候需要处理线程安全的问题。
3. 更新缓存，注意，也需要考虑线程安全问题
4. 离开缓存，这个可能是外部请求，也可能是缓存根据过期策略把它清理掉。

 

缓存的过期策略

　　一般我会问，你所接触的缓存中，碰到过那些缓存过期策略？

　　最常见的几种过期策略如下：

　　多长时间没有被请求，则过期，最典型的就是ASP和ASP.net 提供的 Section 功能。其实它就是一个缓存。

　　依赖于文件变更的缓存，一旦文件被修改，缓存则过期，典型的是 WEB站点的 Web.config ，一旦这个文件变更，不但缓存重起，IIS进程也会进行一次释放工作。

　　在此基础上，可能看到很多依赖关系的缓存过期策略。比如依赖于数据库的缓存过期策略。

　　当然，业务逻辑里可能会有更复杂的过期策略，必须CSDN新版积分制论坛中，帖子列表缓存会在列表数据缓存达到600时，把它清理到550条数据。

　　又比如新积分制论坛帖子的缓存过期，则是没有任何列表引用这个帖子后，则这个帖子过期。

 

缓存的同步问题

　　使用缓存，则意味着同样的数据，可能有多份并存。如果你的代码没有考虑某种情况，导致了这两份数据不一致了。这时候就会有问题发生。

　　解决方法很简单，把你的业务逻辑，代码触发情况都考虑清楚，不要遗留没有触底的地方。

　　简单的方法会导致你的代码逻辑变得非常复杂。

　　这也就是有些人，在非必要的时候，建议你不要用缓存的原因。一旦开始使用缓存，你就应该准备增加大量的代码来处理数据同步的问题。

 

初始化填充缓存数据

　　有时候在缓存被初始化后，还需要预先填充一些数据到缓存中。这就是缓存数据的初始化操作。

　　缓存数据的初始化操作需要考虑以下问题：

1. 需要多长时间进行初始化，一般如果是站点的话，我们可能在 Global.asa 的 Application_OnStart 中处理这个初始化工作。初始化的一般不能太久，这时候就是考验我们代码优化的能力了。
2. 初始化的时候，一般是批量导入数据，而不是我们正常使用的时候，一次处理一个数据。

 

 总结：

　　本文介绍了我对缓存的一些观点，而没有深入涉及到具体的缓存技术。希望通过本文的讲述，让只会缓存用法不懂缓存思想的人有初步的了解。