緩存的好處和類型

緩存是將頻繁訪問的數(shù)據(jù)或資源存儲(chǔ)在臨時(shí)存儲(chǔ)位置(例如內(nèi)存或磁盤)的過程，以提高檢索速度并減少重復(fù)處理的需要。

緩存的好處

提高性能：緩存消除了每次從原始源檢索數(shù)據(jù)的需要，從而提高了響應(yīng)時(shí)間并減少了延遲。

減少服務(wù)器負(fù)載：通過提供緩存的內(nèi)容，減少了服務(wù)器上的負(fù)載，使其能夠處理更多請求，并提高了整體可擴(kuò)展性。

帶寬優(yōu)化：緩存減少了通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，最大限度地減少了帶寬的使用，并提高了效率。

增強(qiáng)用戶體驗(yàn)：更快的加載時(shí)間和響應(yīng)速度可以帶來更好的用戶體驗(yàn)，減少用戶挫折感，提高用戶參與度。

節(jié)省成本：緩存可以減少數(shù)據(jù)處理所需的計(jì)算資源，并通過最大限度地減少對(duì)昂貴服務(wù)器資源的需求來降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。

提高可用性：緩存可以在高流量期間或在服務(wù)器臨時(shí)故障的情況下，通過緩存提供內(nèi)容來幫助維持服務(wù)的可用性。

緩存的類型

(1)客戶端緩存

客戶端緩存指的是將Web資源(例如HTML頁面、CSS文件、JavaScript腳本和圖像)存儲(chǔ)在用戶設(shè)備上的過程，通常是在他們的Web瀏覽器中?？蛻舳司彺娴哪康氖峭ㄟ^減少每次用戶訪問網(wǎng)頁時(shí)從Web服務(wù)器獲取資源的需要來加快網(wǎng)頁加載速度。

當(dāng)用戶訪問一個(gè)網(wǎng)站時(shí)，他們的瀏覽器向Web服務(wù)器請求所需的資源。服務(wù)器用HTTP標(biāo)頭進(jìn)行響應(yīng)，這些標(biāo)頭指導(dǎo)瀏覽器如何處理緩存。這些標(biāo)頭包括緩存控制(Cache Control)、過期(Expires)、實(shí)體標(biāo)簽(ETag)和最后修改時(shí)間(Last-Modified)。

瀏覽器根據(jù)服務(wù)器提供的緩存規(guī)則將資源存儲(chǔ)在其緩存中。在對(duì)同一頁面或資源的后續(xù)請求中，瀏覽器首先檢查其緩存。如果基于緩存標(biāo)頭的資源仍然有效，則瀏覽器會(huì)從本地緩存中檢索資源，從而節(jié)省時(shí)間并減少對(duì)其他服務(wù)器請求的需要。

客戶端緩存可以顯著提高網(wǎng)站性能，特別是對(duì)于返回用戶，因?yàn)橘Y源可以直接從緩存加載。但是，開發(fā)人員需要仔細(xì)管理緩存控制標(biāo)頭，以確保用戶在需要時(shí)接收到更新的內(nèi)容，并避免過時(shí)或過時(shí)的緩存資源的潛在問題。

(2)客戶端緩存的好處

客戶端緩存提供了多種優(yōu)勢，可以增強(qiáng)Web性能和用戶體驗(yàn)。首先，它為返回的用戶者提供了更快的加載時(shí)間，因?yàn)橘Y源存儲(chǔ)在本地瀏覽器緩存中，消除了重復(fù)服務(wù)器請求的需要。這將導(dǎo)致更快的頁面加載和更流暢的瀏覽體驗(yàn)。其次，客戶端緩存通過最小化發(fā)送到服務(wù)器的未更改資源的請求數(shù)量來減少服務(wù)器負(fù)載和帶寬消耗。這種優(yōu)化對(duì)高流量網(wǎng)站特別有價(jià)值。最后，提高性能可以帶來更好的用戶體驗(yàn)，減少跳出率，提高用戶留存率。通過有效地利用客戶端緩存，網(wǎng)站所有者可以提供無縫的瀏覽體驗(yàn)，優(yōu)化服務(wù)器資源的使用，并實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)站性能。

(3)客戶端緩存的工作原理

客戶端緩存依賴于HTTP緩存標(biāo)頭，例如Cache-Control、Expires、ETag和Last-Modified，以方便Web瀏覽器中的資源存儲(chǔ)。當(dāng)用戶訪問網(wǎng)站時(shí)，這些標(biāo)頭決定資源是否可以緩存以及緩存多長時(shí)間。瀏覽器將這些資源存儲(chǔ)在本地，并在后續(xù)訪問時(shí)檢查緩存的有效性。如果資源仍然有效，瀏覽器將從緩存中檢索它們，從而加快加載時(shí)間并減少服務(wù)器請求。

如果資源的緩存過期或更改(基于ETag)，瀏覽器將向服務(wù)器發(fā)送請求。然后，服務(wù)器使用帶有“If-Modified-Since” 或“If-None-Match”標(biāo)頭的緩存驗(yàn)證來確定資源是否被更新。如果未更改，服務(wù)器響應(yīng)“304未修改”狀態(tài)，瀏覽器繼續(xù)使用緩存版本；否則，它將接收更新的資源以進(jìn)行緩存。這一過程確保向用戶有效地交付內(nèi)容，同時(shí)在需要時(shí)維護(hù)最新的資源。

客戶端緩存的最佳實(shí)踐

設(shè)置適當(dāng)?shù)木彺婵刂?Cache-Control)標(biāo)頭：配置其標(biāo)頭來指定資源的緩存規(guī)則。使用“public”這樣的值來允許瀏覽器和CDN緩存，“private”這樣的值只允許瀏覽器緩存，或者“no-cache”這樣的值來確保資源在每次使用之前都經(jīng)過服務(wù)器的重新驗(yàn)證。

處理動(dòng)態(tài)內(nèi)容和用戶特定數(shù)據(jù)：在緩存動(dòng)態(tài)內(nèi)容和用戶特定數(shù)據(jù)時(shí)要謹(jǐn)慎。避免緩存顯示個(gè)性化信息的頁面或資源，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致向用戶提供過時(shí)的內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)容獨(dú)特性的緩存策略。

處理資源更新的緩存破壞：在更新資源(如CSS或JavaScript文件)時(shí)，實(shí)現(xiàn)緩存破壞技術(shù)，以確保用戶收到最新版本。向資源URL添加版本號(hào)或唯一哈希等方法迫使瀏覽器獲取更新的內(nèi)容，而不是依賴于緩存的版本。

通過遵循這些最佳實(shí)踐，可以優(yōu)化客戶端緩存，以增強(qiáng)網(wǎng)站性能，減少服務(wù)器負(fù)載，并提供改進(jìn)的用戶體驗(yàn)。

常見的陷阱和挑戰(zhàn)

確保緩存一致性：客戶端緩存的挑戰(zhàn)之一是維護(hù)緩存一致性。當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)訪問相同的資源時(shí)，如果緩存版本與最新內(nèi)容不同，可能會(huì)出現(xiàn)差異。必須實(shí)現(xiàn)緩存驗(yàn)證機(jī)制并設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^期時(shí)間，以便在性能和新鮮度之間取得平衡。

處理過期的緩存資源：緩存的資源可能會(huì)過期，尤其是在服務(wù)器端發(fā)生更新時(shí)。這可能會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)到陳舊的內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)緩存重新驗(yàn)證方法，例如使用ETag或Last-Modified頭的條件請求，在將緩存的資源提供給用戶之前檢查它們是否仍然有效。

平衡緩存與安全注意事項(xiàng)：在客戶端緩存敏感或私有數(shù)據(jù)可能會(huì)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。避免緩存敏感信息或在必要時(shí)使用適當(dāng)?shù)募用芎蜕矸蒡?yàn)證措施?？紤]結(jié)合使用客戶端和服務(wù)器端緩存技術(shù)，在性能和安全性之間取得平衡。

克服這些缺陷和挑戰(zhàn)需要仔細(xì)規(guī)劃和全面的緩存策略。通過處理緩存一致性、處理過時(shí)資源和考慮安全影響，用戶可以優(yōu)化客戶端緩存，以獲得高效和安全的用戶體驗(yàn)。

服務(wù)器端緩存

服務(wù)器端緩存指的是將頻繁請求的數(shù)據(jù)或計(jì)算臨時(shí)存儲(chǔ)在服務(wù)器內(nèi)存或存儲(chǔ)上的做法。服務(wù)器端緩存的主要目標(biāo)是優(yōu)化服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間，減少對(duì)冗余處理的需求，從而提高整體系統(tǒng)性能并減少延遲。

(1)緩存機(jī)制概述

服務(wù)器端緩存使用各種緩存機(jī)制來有效地存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。一種常見的方法是使用內(nèi)存緩存，例如Redis和Memcached。這些緩存系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，從而實(shí)現(xiàn)閃電般的訪問時(shí)間。它們非常適合存儲(chǔ)頻繁訪問的數(shù)據(jù)，例如數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果或API響應(yīng)。通過將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，服務(wù)器端應(yīng)用程序可以快速檢索和提供緩存的內(nèi)容，從而減少對(duì)重復(fù)的、昂貴的數(shù)據(jù)庫查詢或計(jì)算的需求。

另一種緩存機(jī)制，特別是針對(duì)基于PHP的Web應(yīng)用程序，是使用OPcache之類的操作碼緩存。操作碼緩存將預(yù)編譯的PHP代碼存儲(chǔ)在內(nèi)存中，從而消除了在每次請求時(shí)重新處理PHP腳本的需要。這顯著地提高了PHP應(yīng)用程序的性能，因?yàn)樗@過了重復(fù)的解析和編譯步驟，減少了服務(wù)器負(fù)載和響應(yīng)時(shí)間。

通過利用服務(wù)器端緩存機(jī)制，例如內(nèi)存緩存(Redis，Memcached)和操作碼緩存(OPcache)，應(yīng)用程序可以優(yōu)化服務(wù)器性能，最小化冗余計(jì)算，并為客戶端請求提供更快，更有效的響應(yīng)。這反過來又會(huì)帶來更好的整體用戶體驗(yàn)和響應(yīng)更快的Web應(yīng)用程序。

(2)服務(wù)器端緩存的好處

服務(wù)器端緩存提供了幾個(gè)關(guān)鍵的好處，可以顯著提高Web應(yīng)用程序的性能和可擴(kuò)展性：

減少數(shù)據(jù)庫和后端處理負(fù)載：通過在內(nèi)存中緩存頻繁請求的數(shù)據(jù)，服務(wù)器端緩存減少了對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)庫查詢和后端處理的需求。減少數(shù)據(jù)檢索和計(jì)算量減輕了數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器負(fù)載，從而允許有效地分配資源并提高應(yīng)用程序的總體響應(yīng)性。

對(duì)于頻繁請求的數(shù)據(jù)，獲得更快的響應(yīng)時(shí)間：使用存儲(chǔ)在內(nèi)存緩存中的數(shù)據(jù)，例如Redis或Memcached，服務(wù)器可以在幾毫秒內(nèi)快速檢索和提供緩存的內(nèi)容。因此，對(duì)于經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，用戶可以體驗(yàn)到更快的響應(yīng)時(shí)間，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)并減少等待時(shí)間。

可擴(kuò)展性和負(fù)載平衡優(yōu)勢：服務(wù)器端緩存在提高Web應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性和負(fù)載平衡能力方面起著至關(guān)重要的作用。通過減少后端處理負(fù)載，可以快速提供緩存數(shù)據(jù)，從而允許服務(wù)器在不犧牲性能的情況下處理更多數(shù)量的并發(fā)請求。這使應(yīng)用程序能夠輕松擴(kuò)展以滿足不斷增長的需求，確保在流量高峰或高容量使用期間為用戶提供無縫體驗(yàn)。

總的來說，服務(wù)器端緩存提供了一個(gè)健壯的解決方案來增強(qiáng)應(yīng)用程序性能、優(yōu)化資源利用和維護(hù)響應(yīng)性，使其成為構(gòu)建高性能和可擴(kuò)展Web應(yīng)用程序的重要組件。

(3)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端緩存

實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端緩存涉及到各種有效存儲(chǔ)和管理緩存數(shù)據(jù)的策略。一種方法是在應(yīng)用程序級(jí)別緩存數(shù)據(jù)，使用字典或數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將頻繁訪問的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在內(nèi)存中。這一方法適用于較小規(guī)模的緩存或數(shù)據(jù)不經(jīng)常更改的情況。然而，在使用這種方法時(shí)，考慮內(nèi)存限制和數(shù)據(jù)一致性是至關(guān)重要的。

另一種有效的技術(shù)是緩存數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果。當(dāng)執(zhí)行查詢時(shí)，其結(jié)果存儲(chǔ)在緩存中。對(duì)同一查詢的后續(xù)請求可以從緩存中處理，從而減少了數(shù)據(jù)庫的負(fù)載并縮短了響應(yīng)時(shí)間。為了使緩存的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的更改保持同步，開發(fā)人員需要定義緩存失效策略。

緩存過期和退出策略對(duì)于確保緩存數(shù)據(jù)保持相關(guān)性和不消耗過多內(nèi)存也是必不可少的。緩存過期為緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置了一個(gè)時(shí)間限制，超過該時(shí)間限制的數(shù)據(jù)將被視為過期并在下一次請求時(shí)丟棄。另一方面，當(dāng)緩存達(dá)到容量限制時(shí)，清除策略決定刪除哪些數(shù)據(jù)。常見的驅(qū)逐算法包括最近最少使用(LRU)和最不頻繁使用(LFU)。

在實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端緩存時(shí)，開發(fā)人員需要考慮數(shù)據(jù)的性質(zhì)、應(yīng)用程序的特定需求以及可用的緩存機(jī)制，以有效地優(yōu)化緩存性能。通過組合適當(dāng)?shù)木彺娌呗院凸ぞ?，?yīng)用程序可以利用服務(wù)器端緩存的優(yōu)勢來提供更快的響應(yīng)時(shí)間、減少數(shù)據(jù)庫負(fù)載并實(shí)現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)管理。

(4)優(yōu)化緩存失效

緩存失效是服務(wù)器端緩存的一個(gè)關(guān)鍵方面，它可以確保過時(shí)的數(shù)據(jù)不會(huì)在緩存中持久存在。實(shí)現(xiàn)有效的緩存失效技術(shù)對(duì)于維護(hù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性至關(guān)重要。刪除過時(shí)緩存項(xiàng)的一種常用方法是使用過期時(shí)間。通過為緩存數(shù)據(jù)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^期時(shí)間，緩存將自動(dòng)刪除過時(shí)的條目，迫使應(yīng)用程序?yàn)橄乱粋€(gè)請求獲取新數(shù)據(jù)。

另一種強(qiáng)大的緩存失效技術(shù)是利用緩存標(biāo)記和粒度失效。緩存標(biāo)記允許將多個(gè)緩存項(xiàng)與特定標(biāo)記或標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)。當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)更新或無效時(shí)，緩存可以選擇性地刪除與該標(biāo)記關(guān)聯(lián)的所有條目，確保所有受影響的數(shù)據(jù)都從緩存中刪除。

粒度失效允許開發(fā)人員針對(duì)特定的緩存條目進(jìn)行刪除，而不是清除整個(gè)緩存。這種細(xì)粒度的方法將不必要地從緩存中刪除頻繁訪問且仍然有效的數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。通過使用緩存標(biāo)記和粒度失效，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩存失效更精確的控制，從而實(shí)現(xiàn)更有效的緩存管理和改進(jìn)的數(shù)據(jù)一致性。

(5)服務(wù)器端緩存工具

有幾個(gè)功能強(qiáng)大的緩存工具和庫可用于有效地實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端緩存。Cache類包含在Toro Cloud的Martini中使用緩存的功能。

Guava Cache：谷歌公司的Guava Cache是一個(gè)緩存工具，它使用僅在內(nèi)存中的緩存機(jī)制。這個(gè)提供程序創(chuàng)建的緩存僅對(duì)應(yīng)用程序的單次運(yùn)行(或者在本例中，對(duì)Martini包的單次運(yùn)行)是本地的。

Ehcach：Ehcache是一個(gè)全功能的基于Java的緩存提供商。它支持在磁盤或內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的緩存。它也是可擴(kuò)展的，可以針對(duì)需要高并發(fā)性的負(fù)載進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

Redis：Redis是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式的內(nèi)存鍵值數(shù)據(jù)庫，具有可選的持久性。Redis具有內(nèi)置復(fù)制、Lua腳本、LRU驅(qū)逐、事務(wù)和不同級(jí)別的磁盤持久性，并通過Redis Sentinel和Redis Cluster提供高可用性和自動(dòng)分區(qū)。

通過利用這些緩存工具并將其與Web框架和CMS平臺(tái)集成，開發(fā)人員可以優(yōu)化服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間，減少后端處理，并增強(qiáng)其應(yīng)用程序的整體性能和可擴(kuò)展性。

(6)緩存功能

企業(yè)級(jí)集成平臺(tái)通常配備了緩存功能，以支持動(dòng)態(tài)或靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便更快地檢索。下面是一個(gè)示例代碼片段，演示了在Martini集成平臺(tái)中使用緩存功能。

Martini緩存功能的截圖

緩存策略和注意事項(xiàng)

在實(shí)現(xiàn)緩存策略時(shí)，緩存連貫性和一致性是關(guān)鍵的考慮因素。保持緩存連貫性確保緩存的數(shù)據(jù)與真實(shí)源(例如，數(shù)據(jù)庫或后端服務(wù)器)中的數(shù)據(jù)保持連貫。當(dāng)對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，緩存的副本應(yīng)該無效或相應(yīng)地更新，以防止提供過時(shí)的內(nèi)容。

處理跨不同緩存層的緩存無效可能具有挑戰(zhàn)性。這涉及到管理客戶端和服務(wù)器端的緩存。協(xié)調(diào)緩存失效以確?？缢芯彺鎸拥囊恢滦孕枰屑?xì)規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)。

通過有效地處理緩存連貫性和處理緩存無效，可以在整個(gè)緩存基礎(chǔ)設(shè)施中維護(hù)數(shù)據(jù)一致性，在優(yōu)化性能的同時(shí)為用戶提供最新和準(zhǔn)確的內(nèi)容。

組合緩存方法

實(shí)現(xiàn)混合緩存策略涉及利用客戶端和服務(wù)器端緩存的優(yōu)勢，以最大限度地提高性能和用戶體驗(yàn)。

對(duì)可以本地存儲(chǔ)在用戶瀏覽器中的靜態(tài)資源利用客戶端緩存。設(shè)置適當(dāng)?shù)木彺婵刂茦?biāo)頭來指定緩存持續(xù)時(shí)間，并優(yōu)化瀏覽器緩存的使用，以便在后續(xù)訪問時(shí)更快地加載時(shí)間。

為每個(gè)請求生成的動(dòng)態(tài)內(nèi)容使用服務(wù)器端緩存。使用內(nèi)存緩存(例如Redis或Memcached)來存儲(chǔ)頻繁訪問的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)緩存過期和退出策略以保持?jǐn)?shù)據(jù)最新。

通過有效地組合這些緩存方法，可以減少服務(wù)器負(fù)載，最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸，并增強(qiáng)應(yīng)用程序的整體性能和可擴(kuò)展性，從而在全球范圍內(nèi)提供最佳的用戶體驗(yàn)。(李睿譯）

（來源：51CTO）

審核編輯：湯梓紅