【第一章】缓存概念

作者: 西西里加西 | 来源:发表于2020-04-20 22:08 被阅读0次

一、缓存概念

缓存 是为了调节速度不一致的两个或多个不同物质的速度，在中间对速度较快的一方起到一个加速访问速度较慢的一方的作用。
比如 CPU 的一级、二级缓存 是保存了 CPU 最近经常访问的数据；内存 是保存 CPU 经常访问硬盘的数据；而且硬盘也有大小不一的缓存，甚至是物理服务器的 raid 卡有也缓存，都是为了起到加速 CPU 访问硬盘数据的目的。
因为 CPU 的速度太快了， CPU 需要的数据硬盘往往不能在短时间内满足 CPU 的需求，因此 CPU 缓存、内存、 Raid 卡以及硬盘缓存就在一定程度上满足了 CPU 的数据需求，即 CPU 从缓存读取数据可以大幅提高 CPU 的工作效率。

计算机缓存

1.1 系统缓存

1.1.1 buffer 与 cache：

buffer：缓冲也叫 $\color{blue}{写缓存}$ ，一般用于写操作，可以将数据先写入内存再写入磁盘。buffer 一般用于写缓冲，用于解决不同介质的速度不一致的缓冲，先将数据临时写入到离自己最近的地方，以提高写入速度。例如 CPU 会把数据先写到内存的磁盘缓冲区，然后就认为数据已经写入完成，然后由内核在后续的时间在写入磁盘，所以服务器突然断电会丢失内存中的部分数据。

cache：缓存也叫 $\color{blue}{读缓存}$ ，一般用于读操作。例如 CPU 读文件从内存读，如果内存没有就先从硬盘读到内存再读到 CPU，将需要频繁读取的数据放在里自己最近的缓存区域，下次读取的时候即可快速读取。

1.1.2 cache 的保存位置：

客户端：浏览器
内存：本地服务器、远程服务器
硬盘：本机硬盘、远程服务器硬盘

1.1.3 cache 的特性：

自动过期：给缓存的数据加上有效时间，超出时间后自动过期删除
过期时间：强制过期，源网站更新图片后 CDN 是不会更新的，需要强制是图片缓存过期
命中率：即缓存的读取命中率

1.2 用户层缓存

1.2.1 DNS 缓存

默认为 $\color{blue}{60 秒}$ ，即 60 秒之内在访问同一个域名就不再进行 DNS 解析

查看 chrome 浏览器的 DNS 缓存：chrome://net-internals/#dns

Chrome dns缓存

1.2.2 火狐浏览器缓存

Firefox dns缓存

1.2.3 浏览器缓存过期机制

1.2.3.1 最后修改时间

系统调用会获取文件的最后修改时间，如果没有发生变化就返回给浏览器 $\color{blue}{304}$ 的状态码，表示没有发生变化，然后浏览器就使用的本地的缓存展示资源。

请求头的 if-modify 字段

使用浏览器缓存

1.2.3.2 Etag 标记

基于 Etag 标记<u>是否一致</u>做判断<u>页面是否发生过变化</u>，比如基于 Nginx 的 etag on 来实现：

Etag 字段

1.2.3.3 过期时间

$\color{red}{以上两种都需要发送请求}$ ，即不管资源是否过期都要发送请求进行协商，这样会消耗不必要的时间，因此有了 $\color{blue}{缓存的过期时间}$ ，即第一次请求资源的时候带一个资源的过期时间，默认为 30 天。当前这种方式使用的比较多，但是 $\color{red}{无法保证客户的时间都是准确并且一致的}$ ，因此会加入一个 $\color{blue}{最大生存周期}$ ，使用用户本地的时间计算缓存数据是否超过多少天，下面的过期时间为 2027 年，但是缓存的最大生存周期计算为天等于 3650 天即 10 年，过期时间如下：

过期时间 & 最大生存周期

浏览器的缓存过期机制讲得更清楚： https://juejin.im/entry/5ad86c16f265da505a77dca4

1.3 CDN 缓存

1.3.1 什么是 CDN

内容分发网络（ Content Delivery Network），通过将服务内容分发至全网加速节点，利用全球调度系统使用户能够就近获取，有效降低访问延迟，提升服务可用性。

CDN 的好处在于：

第一降低机房的使用带宽，因为很多资源通过 CDN 就直接返回用户了。
第二解决不同运营商之间的互联，因为可以让联通的网络访问联通让电信的网络访问电信，起到加速用户访问的目的。
第三：解决用户访问的地域问题，就近返回用户资源。

百度 CDN： https://cloud.baidu.com/product/cdn.html
阿里 CDN： https://www.aliyun.com/product/cdn?spm=5176.8269123.416540.50.728y8n
腾讯 CDN： https://www.qcloud.com/product/cdn

1.3.2 用户请求 CDN 流程

提前对静态内容进行预缓存，避免大量的请求回源，导致主站网络带宽被打满而导致数据无法更新，另外 CDN 可以将数据根据访问的热度不同而进行不同级别的缓存，例如访问量最高的资源访问 CDN 边缘节点的内存，其次的放在 SSD 或者 SATA，再其次的放在云存储，这样兼顾了速度与成本。

用户请求 CDN 流程

1.3.3： CDN 主要优势：

提前对静态内容进行预缓存，避免大量的请求回源，导致主站网络带宽被打满而导致数据无法更新，另外 CDN 可以将数据根据访问的热度不同而进行不同级别的缓存，例如访问量最高的资源访问 CD边缘节点的内存，其次的放在 SSD 或者 SATA，再其次的放在云存储，这样兼顾了速度与成本。缓存到最快的地方如内存，缓存的数据准确命中率高，访问速度就快。

调度准确-将用户调度到最近的边缘节点

性能优化-CDN 专门用于缓存响应速度快

安全相关-抵御攻击

节省带宽：由于用户请求由边缘节点响应，因此大幅降低到源站带宽

1.4 应用层缓存

Nginx、 PHP 等 web 服务可以设置应用缓存以加速响应用户请求，另外有些解释性语言比如 PHP/Python 不能直接运行，需要先编译成字节码，但字节码需要解释器解释为机器码之后才能执行，因此字节码也是一种缓存，有时候会出现程序代码上线后字节码没有更新的现象。

1.5 其他层面缓存

CPU 缓存(L1 的数据缓存和 L1 的指令缓存)、二级缓存、三级缓存

CPU缓存

磁盘缓存
RAID 卡
分布式缓存： redis、memcache

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