Cách cải thiện trải nghiệm người dùng và giảm chi phí: Đây là lý do bạn nên sử dụng bộ nhớ đệm

Hôm nay, chúng ta đang đi sâu vào thế giới bộ nhớ đệm. Bộ nhớ đệm là vũ khí bí mật để xây dựng các hệ thống hiệu suất cao, có thể mở rộng. Có nhiều loại bộ nhớ đệm, nhưng trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào bộ nhớ đệm đối tượng phụ trợ (bộ nhớ đệm phụ trợ). Nắm vững nó sẽ giúp bạn xây dựng phần mềm hiệu suất cao và đáng tin cậy.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá:

1. Bộ nhớ đệm là gì? Chúng ta sẽ khám phá bộ nhớ đệm và giải thích cách nó lưu trữ dữ liệu tạm thời để truy cập nhanh hơn.

   
   

2. Lợi ích của bộ nhớ đệm : Khám phá cách bộ nhớ đệm tăng tốc độ, giảm tải máy chủ, cải thiện trải nghiệm người dùng và thậm chí có thể cắt giảm chi phí.

   
   

3. Mẫu bộ đệm : Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào các cách khác nhau để sử dụng bộ đệm. Hãy nhớ rằng, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm, vì vậy hãy đảm bảo chọn đúng mẫu cho nhu cầu của bạn!

   
   

4. Phương pháp hay nhất về bộ đệm : Bây giờ bạn đã biết cách lưu trữ và truy xuất dữ liệu đã lưu trong bộ nhớ đệm. Nhưng làm cách nào để đảm bảo dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đệm của bạn luôn được cập nhật? Và điều gì sẽ xảy ra khi bộ đệm đạt đến dung lượng của nó?

   
   

5. Khi nào không nên lưu vào bộ nhớ đệm : Mặc dù bộ nhớ đệm mang lại nhiều lợi ích nhưng có những lúc tốt nhất bạn nên tránh sử dụng bộ nhớ đệm. Việc triển khai bộ nhớ đệm trong hệ thống sai có thể làm tăng độ phức tạp và thậm chí có thể làm chậm hiệu suất.

Bộ nhớ đệm là gì?

Việc tạo ra một ứng dụng có hiệu suất cao và có thể mở rộng là nhằm loại bỏ các tắc nghẽn và làm cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. Cơ sở dữ liệu thường làm tắc nghẽn hiệu năng hệ thống do yêu cầu lưu trữ và xử lý của chúng. Điều này làm cho chúng trở thành một thành phần đắt tiền vì chúng cần được mở rộng quy mô thường xuyên.

Rất may, có một thành phần có thể giúp giảm tải việc sử dụng tài nguyên cơ sở dữ liệu đồng thời cải thiện tốc độ truy xuất dữ liệu – thành phần đó được gọi là bộ đệm .

Bộ đệm là bộ lưu trữ tạm thời được thiết kế để ghi và đọc dữ liệu nhanh. Nó sử dụng bộ nhớ lưu trữ có độ trễ thấp và cấu trúc dữ liệu được tối ưu hóa để thực hiện các thao tác nhanh chóng. Rất có thể bạn đã từng sử dụng Redis hoặc Memcached hoặc ít nhất đã nghe đến tên của chúng. Đây là hai trong số các hệ thống bộ nhớ đệm phân tán phổ biến nhất dành cho các dịch vụ phụ trợ. Redis thậm chí có thể hoạt động như một cơ sở dữ liệu chính, nhưng đó là chủ đề cho một bài viết khác!

Lợi ích của bộ nhớ đệm

Lợi ích chính của bộ nhớ đệm là tốc độ của nó. Đọc dữ liệu từ bộ đệm nhanh hơn đáng kể so với lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu (như SQL hoặc Mongo). Tốc độ này đến từ bộ nhớ đệm sử dụng cấu trúc dữ liệu từ điển (hoặc HashMap) để thực hiện các thao tác nhanh chóng và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ tốc độ cao thay vì trên đĩa.

Thứ hai, bộ nhớ đệm giúp giảm tải cho cơ sở dữ liệu của bạn. Điều này cho phép các ứng dụng lấy dữ liệu họ cần từ bộ đệm thay vì liên tục truy cập cơ sở dữ liệu. Điều này làm giảm đáng kể việc sử dụng tài nguyên phần cứng; thay vì tìm kiếm dữ liệu trên đĩa, hệ thống của bạn chỉ cần truy cập dữ liệu đó từ bộ nhớ nhanh.

Những lợi ích này trực tiếp cải thiện trải nghiệm người dùng và có thể giúp tiết kiệm chi phí. Ứng dụng của bạn phản hồi nhanh hơn nhiều, tạo ra trải nghiệm mượt mà và hài lòng hơn cho người dùng.

Bộ nhớ đệm làm giảm chi phí cơ sở hạ tầng. Mặc dù một hệ thống phân tán như Redis yêu cầu nguồn lực riêng nhưng tổng mức tiết kiệm được thường rất đáng kể. Ứng dụng của bạn truy cập dữ liệu hiệu quả hơn, có khả năng cho phép bạn thu nhỏ cơ sở dữ liệu của mình. Tuy nhiên, điều này đi kèm với sự đánh đổi: nếu hệ thống bộ nhớ đệm của bạn bị lỗi, hãy đảm bảo cơ sở dữ liệu của bạn được chuẩn bị sẵn sàng để xử lý lượng tải tăng lên.

Mẫu bộ đệm

Bây giờ bạn đã hiểu sức mạnh của bộ nhớ đệm, hãy đi sâu vào những cách tốt nhất để sử dụng nó! Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá hai loại mẫu cơ bản: Mẫu ghi bộ đệm và Mẫu thiếu bộ nhớ đệm . Các mẫu này cung cấp các chiến lược để quản lý các bản cập nhật bộ đệm và xử lý các tình huống khi dữ liệu bạn cần chưa có trong bộ đệm.

Mẫu Viết

Các mẫu viết chỉ ra cách ứng dụng của bạn tương tác với cả bộ đệm và cơ sở dữ liệu của bạn. Hãy xem xét ba chiến lược phổ biến: Viết lại , Viết qua và Viết xung quanh . Mỗi loại đều có những lợi thế và sự đánh đổi riêng:

Viết lại

Làm thế nào nó hoạt động:

• Ứng dụng của bạn chỉ tương tác với bộ đệm.
• Bộ đệm xác nhận việc ghi ngay lập tức.
• Sau đó, một quy trình nền sẽ sao chép dữ liệu mới được ghi vào cơ sở dữ liệu.

Lý tưởng cho: Các ứng dụng nặng về ghi trong đó tốc độ là rất quan trọng và có thể chấp nhận được một số điểm không nhất quán vì mục đích hiệu suất. Ví dụ bao gồm các ứng dụng đo lường và phân tích.

Thuận lợi:

• Đọc nhanh hơn: Dữ liệu luôn nằm trong bộ đệm để truy cập nhanh, bỏ qua hoàn toàn cơ sở dữ liệu.
• Ghi nhanh hơn: Ứng dụng của bạn không chờ ghi cơ sở dữ liệu, dẫn đến thời gian phản hồi nhanh hơn.
• Ít căng thẳng hơn về cơ sở dữ liệu: Ghi hàng loạt giúp giảm tải cơ sở dữ liệu và có khả năng kéo dài tuổi thọ của phần cứng cơ sở dữ liệu của bạn.

Nhược điểm:

• Nguy cơ mất dữ liệu: Nếu bộ đệm bị lỗi trước khi dữ liệu được lưu vào cơ sở dữ liệu, thông tin có thể bị mất. Redis giảm thiểu rủi ro này bằng cách lưu trữ liên tục, nhưng điều này làm tăng thêm độ phức tạp.

• Độ phức tạp ngày càng tăng: Bạn sẽ cần một phần mềm trung gian để đảm bảo bộ nhớ đệm và cơ sở dữ liệu luôn được đồng bộ hóa.

• Khả năng sử dụng bộ nhớ đệm cao: Tất cả các thao tác ghi sẽ được chuyển vào bộ nhớ đệm trước tiên, ngay cả khi dữ liệu không được đọc thường xuyên. Điều này có thể dẫn đến mức tiêu thụ dung lượng lưu trữ cao.

Viết qua

Làm thế nào nó hoạt động:

• Ứng dụng của bạn ghi đồng thời vào cả bộ đệm và cơ sở dữ liệu.

• Để giảm thời gian chờ đợi, bạn có thể ghi vào bộ đệm một cách không đồng bộ. Điều này cho phép ứng dụng của bạn báo hiệu việc ghi thành công trước khi hoạt động bộ nhớ đệm hoàn tất.

Thuận lợi:

• Đọc nhanh hơn: Giống như Write-Back, dữ liệu luôn nằm trong bộ đệm, loại bỏ nhu cầu đọc cơ sở dữ liệu.

• Độ tin cậy: Ứng dụng của bạn chỉ xác nhận việc ghi sau khi được lưu vào cơ sở dữ liệu, đảm bảo tính bền vững của dữ liệu ngay cả khi xảy ra sự cố ngay sau đó.

Nhược điểm:

• Ghi chậm hơn: So với Viết lại, chính sách này có một số chi phí do ứng dụng đợi cả cơ sở dữ liệu và bộ nhớ đệm ghi. Việc ghi không đồng bộ cải thiện điều này nhưng hãy nhớ rằng cơ sở dữ liệu luôn có thời gian chờ đợi.

• Mức sử dụng bộ nhớ đệm cao: Tất cả các thao tác ghi sẽ được chuyển vào bộ nhớ đệm, có khả năng tiêu tốn dung lượng lưu trữ ngay cả khi dữ liệu không được truy cập thường xuyên.

Viết xung quanh

Với Write-Around, ứng dụng của bạn ghi dữ liệu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu, bỏ qua bộ đệm trong quá trình ghi. Để điền vào bộ đệm, nó sử dụng một chiến lược được gọi là mẫu dành riêng cho bộ đệm :

1. Yêu cầu đọc đến: Ứng dụng kiểm tra bộ đệm.

   
   

2. Thiếu bộ đệm: Nếu không tìm thấy dữ liệu trong bộ đệm, ứng dụng sẽ tìm nạp dữ liệu đó từ cơ sở dữ liệu rồi lưu trữ vào bộ đệm để sử dụng trong tương lai.

Thuận lợi:

• Ghi đáng tin cậy: Dữ liệu được ghi trực tiếp vào cơ sở dữ liệu, đảm bảo tính nhất quán.
• Sử dụng bộ nhớ đệm hiệu quả: Chỉ những dữ liệu được truy cập thường xuyên mới được lưu vào bộ nhớ đệm, giúp giảm mức tiêu thụ bộ nhớ.

Nhược điểm:

• Độ trễ đọc cao hơn (trong một số trường hợp): Nếu dữ liệu không có trong bộ đệm, ứng dụng phải tìm nạp dữ liệu đó từ cơ sở dữ liệu, thêm một chuyến khứ hồi so với các chính sách luôn điền trước bộ đệm.

Mẫu bỏ lỡ bộ đệm

Lỗi bộ đệm xảy ra khi dữ liệu mà ứng dụng của bạn cần không được tìm thấy trong bộ đệm. Dưới đây là hai chiến lược phổ biến để giải quyết vấn đề này:

1. Bộ nhớ đệm sang một bên

   • Ứng dụng sẽ kiểm tra bộ đệm.

   • Nếu lỡ, nó sẽ tìm nạp dữ liệu từ cơ sở dữ liệu và sau đó cập nhật bộ đệm.

   • Điểm mấu chốt: Ứng dụng chịu trách nhiệm quản lý bộ đệm.

     
     

Sử dụng mẫu Cache-Aside có nghĩa là ứng dụng của bạn sẽ quản lý bộ đệm. Cách tiếp cận này được sử dụng phổ biến nhất vì nó đơn giản và không cần phát triển ở những nơi khác ngoài ứng dụng

1. Đọc qua

   • Ứng dụng đưa ra yêu cầu mà không biết về bộ đệm.

   • Một cơ chế chuyên dụng sẽ kiểm tra bộ đệm và tìm nạp dữ liệu từ cơ sở dữ liệu nếu cần.

   • Bộ đệm được cập nhật một cách minh bạch.

     
     

Các mẫu đọc qua làm giảm độ phức tạp của ứng dụng nhưng lại làm tăng độ phức tạp của cơ sở hạ tầng. Thay vào đó, nó giúp giảm tải tài nguyên ứng dụng cho phần mềm trung gian.

Nhìn chung, mẫu ghi xung quanh với bộ đệm dành riêng được sử dụng phổ biến nhất vì tính dễ thực hiện của nó. Tuy nhiên, tôi cũng khuyên bạn nên đưa vào mẫu ghi qua nếu bạn có bất kỳ dữ liệu nào sẽ được sử dụng ngay sau khi được lưu vào bộ nhớ đệm. Điều này sẽ mang lại một chút lợi ích cho hiệu suất đọc.

Thực tiễn tốt nhất về bộ nhớ đệm

Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các phương pháp hay nhất để sử dụng bộ nhớ đệm. Thực hiện theo các phương pháp này sẽ đảm bảo bộ nhớ đệm của bạn duy trì dữ liệu mới và quản lý bộ nhớ hiệu quả.

Vô hiệu hóa bộ đệm

Hãy tưởng tượng bạn đã lưu trữ dữ liệu trong bộ đệm và sau đó cơ sở dữ liệu được cập nhật. Điều này khiến dữ liệu trong bộ nhớ đệm khác với phiên bản cơ sở dữ liệu. Chúng tôi gọi loại dữ liệu bộ đệm này là "cũ". Nếu không có kỹ thuật vô hiệu hóa bộ đệm, dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đệm của bạn có thể vẫn cũ sau khi cập nhật cơ sở dữ liệu. Để giữ cho dữ liệu luôn mới, bạn có thể sử dụng các kỹ thuật sau:

1. Vô hiệu hóa bộ đệm khi cập nhật: Khi bạn cập nhật dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, hãy cập nhật mục nhập bộ đệm tương ứng. Các mẫu ghi qua và ghi lại vốn đã xử lý việc này, nhưng ghi xung quanh/đặt bộ nhớ đệm sang một bên yêu cầu xóa rõ ràng dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đệm. Chiến lược này ngăn ứng dụng của bạn truy xuất dữ liệu cũ.

   
   

2. Thời gian tồn tại (TTL): TTL là chính sách bạn có thể đặt khi lưu trữ dữ liệu trong bộ đệm. Với TTL, dữ liệu sẽ tự động bị xóa sau một thời gian nhất định. Điều này giúp xóa dữ liệu không sử dụng và cung cấp giải pháp an toàn chống lại dữ liệu cũ trong trường hợp vô hiệu hóa bị bỏ sót.

Chính sách thay thế bộ đệm

Nếu bạn lưu vào bộ nhớ đệm một lượng lớn dữ liệu, bộ nhớ đệm của bạn có thể bị đầy. Hệ thống bộ nhớ đệm thường sử dụng bộ nhớ, bộ nhớ này thường nhỏ hơn bộ nhớ cơ sở dữ liệu chính của bạn. Khi bộ đệm đầy, nó cần xóa một số dữ liệu để nhường chỗ. Chính sách thay thế bộ đệm xác định dữ liệu nào cần xóa:

1. Ít được sử dụng gần đây nhất (LRU): Chính sách chung này sẽ loại bỏ dữ liệu không được sử dụng (đọc hoặc ghi) trong thời gian dài nhất. LRU phù hợp với hầu hết các trường hợp sử dụng trong thế giới thực.

   
   

2. Ít được sử dụng thường xuyên nhất (LFU): Tương tự như LRU, nhưng tập trung vào tần suất truy cập. Dữ liệu mới được ghi có thể bị loại bỏ, vì vậy hãy cân nhắc thêm khoảng thời gian khởi động trong thời gian đó dữ liệu không thể bị xóa.

Các chính sách thay thế khác như FIFO (Nhập trước, Xuất trước), Thay thế ngẫu nhiên, v.v., vẫn tồn tại nhưng ít phổ biến hơn.

Khi nào không lưu vào bộ nhớ đệm

Trước khi đi sâu vào triển khai bộ đệm, điều quan trọng là phải biết khi nào nó có thể không phù hợp nhất. Bộ nhớ đệm thường cải thiện tốc độ và giảm tải cơ sở dữ liệu, nhưng nó có thể không có ý nghĩa nếu:

1. Lưu lượng truy cập thấp: Nếu ứng dụng của bạn có lưu lượng truy cập thấp và thời gian phản hồi vẫn ở mức chấp nhận được thì có thể bạn chưa cần bộ nhớ đệm. Việc thêm bộ đệm sẽ làm tăng độ phức tạp, do đó, nó được triển khai tốt nhất khi bạn gặp phải tắc nghẽn về hiệu suất hoặc dự đoán lưu lượng truy cập sẽ tăng đáng kể.

   
   

2. Hệ thống của bạn ghi nhiều: Bộ nhớ đệm có lợi nhất trong các ứng dụng đọc nhiều. Điều này có nghĩa là dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của bạn được cập nhật không thường xuyên hoặc được đọc nhiều lần giữa các lần cập nhật. Nếu ứng dụng của bạn có số lượng ghi lớn, bộ nhớ đệm có thể có khả năng tăng thêm chi phí và làm mọi thứ chậm lại.

Đồ ăn mang về

Trong bài viết này, chúng tôi đã đề cập đến những kiến thức cơ bản về bộ nhớ đệm và cách sử dụng nó một cách hiệu quả. Dưới đây là tóm tắt những điểm chính:

1. Xác nhận nhu cầu: Đảm bảo hệ thống của bạn có khả năng đọc cao và yêu cầu các ưu đãi về bộ nhớ đệm giảm độ trễ.

   
   

2. Chọn mẫu một cách khôn ngoan: Chọn các mẫu ghi bộ nhớ đệm và lỗi bộ nhớ đệm phù hợp với cách ứng dụng của bạn sử dụng dữ liệu.

   
   

3. Làm mới dữ liệu: Thực hiện các chiến lược vô hiệu hóa bộ đệm để ngăn chặn việc cung cấp dữ liệu cũ.

   
   

4. Quản lý chính sách thay thế: Chọn chính sách thay thế bộ đệm (như LRU) để xử lý việc xóa khi bộ đệm đạt đến dung lượng.

Người giới thiệu

1. https://Gist.github.com/jboner/2841832
2. https://www.bytesized Pieces.com/posts/cache-types
3. https://www.techtarget.com/searchstorage/def định/cache
4. https://www.youtube.com/watch?v=dGAgxozNWFE