Redis缓存篇之旁路缓存:Redis是如何工作的?

2023-10-10 21:10
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本文主要是介绍Redis缓存篇之旁路缓存:Redis是如何工作的?,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

Redis缓存篇之旁路缓存:Redis是如何工作的?

    • 缓存的特征
    • Redis 缓存处理请求的两种情况
    • Redis 作为旁路缓存的使用操作
    • 缓存的类型
      • 只读缓存
      • 读写缓存

缓存的特征

一个系统中的不同层之间的访问速度不一样,所以我们才需要缓存,这样就可以把一些需要频繁访问的数据放在缓存中,以加快它们的访问速度。
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想象一下,如果每次 CPU 处理数据时,都要从 ms 级别的慢速磁盘中读取数据,然后再进行处理,那么,CPU 只能等磁盘的数据传输完成。这样一来,高速的 CPU 就被慢速的磁盘拖累了,整个计算机系统的运行速度会变得非常慢。

计算机系统中,默认有两种缓存:

  • CPU 里面的末级缓存,即 LLC,用来缓存内存中的数据,避免每次从内存中存取数据;
  • 内存中的高速页缓存,即 page cache,用来缓存磁盘中的数据,避免每次从磁盘中存取数据。
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跟内存相比,LLC 的访问速度更快,而跟磁盘相比,内存的访问是更快的

  • 缓存的第一个特征:在一个层次化的系统中,缓存一定是一个快速子系统,数据存在缓存中时,能避免每次从慢速子系统中存取数据。对应到互联网应用来说,Redis 就是快速子系统,而数据库就是慢速子系统了。

我们再看一下刚才的计算机分层结构。LLC 的大小是 MB 级别,page cache 的大小是 GB级别,而磁盘的大小是 TB 级别。

  • 缓存的第二个特征:缓存系统的容量大小总是小于后端慢速系统的,我们不可能把所有数据都放在缓存系统中。

简单来说,缓存中的数据需要按一定规则淘汰出去,写回后端系统,而新的数据又要从后端系统中读取进来,写入缓存。

Redis 缓存处理请求的两种情况

把 Redis 用作缓存时,我们会把 Redis 部署在数据库的前端,业务应用在访问数据时,会先查询 Redis 中是否保存了相应的数据。此时,根据数据是否存在缓存中,会有两种情况。

  • 缓存命中:Redis 中有相应数据,就直接读取 Redis,性能非常快
  • 缓存缺失:Redis 中没有保存相应数据,就从后端数据库中读取数据,性能就会变慢。而且,一旦发生缓存缺失,为了让后续请求能从缓存中读取到数据,我们需要把缺失的数据写入 Redis,这个过程叫作缓存更新。(缓存更新操作会涉及到保证缓存和数据库之间的数据一致性问题)

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使用 Redis 缓存时,我们基本有三个操作:

  • 应用读取数据时,需要先读取 Redis;
  • 发生缓存缺失时,需要从数据库读取数据;
  • 发生缓存缺失时,还需要更新缓存。

Redis 作为旁路缓存的使用操作

如果应用程序想要使用Redis 缓存,我们就要在程序中增加相应的缓存操作代码。所以,我们也把 Redis 称为旁路缓存,也就是说,读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都需要在应用程序中来完成。

这和LLC 和 page cache 不一样。平时在开发程序时,我们是没有专门在代码中显式地创建 LLC 或 page cache 的实例的,也没有显式调用过它们的 GET 接口。这是因为,在构建计算机硬件系统时,已经把 LLC 和 page cache 放在了应用程序的数据访问路径上,应用程序访问数据时直接就能用上缓存。

使用 Redis 缓存时,具体来说,我们需要在应用程序中增加三方面的代码:

  • 当应用程序需要读取数据时,需要在代码中显式调用 Redis 的 GET 操作接口,进行查询;
  • 如果缓存缺失了,应用程序需要再和数据库连接,从数据库中读取数据;
  • 当缓存中的数据需要更新时,我们也需要在应用程序中显式地调用 SET 操作接口,把更新的数据写入缓存。

因为需要新增程序代码来使用缓存,所以,Redis 并不适用于那些无法获得源码的应用,不过,除了从 Redis 缓存中查询、读取数据以外,应用程序还可能会对数据进行修改,这时,我们既可以在缓存中修改,也可以在后端数据库中进行修改

这就涉及到了 Redis 缓存的两种类型:只读缓存和读写缓存。只读缓存能加速读请求,而读写缓存可以同时加速读写请求。而且,读写缓存又有两种数据写回策略,可以让我们根据业务需求,在保证性能和保证数据可靠性之间进行选择。

缓存的类型

只读缓存

当 Redis 用作只读缓存时,应用要读取数据的话,会先调用 Redis GET 接口,查询数据是否存在。而所有的数据写请求,会直接发往后端的数据库,在数据库中增删改。对于删改的数据来说,如果 Redis 已经缓存了相应的数据,应用需要把这些缓存的数据删除,Redis中就没有这些数据了。当应用再次读取这些数据时,会发生缓存缺失,应用会把这些数据从数据库中读出来,并写到缓存中

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只读缓存直接在数据库中更新数据的好处是,所有最新的数据都在数据库中,而数据库是提供数据可靠性保障的,这些数据不会有丢失的风险

读写缓存

对于读写缓存来说,除了读请求会发送到缓存进行处理(直接在缓存中查询数据是否存在),所有的写请求也会发送到缓存,在缓存中直接对数据进行增删改操作。此时,得益于Redis 的高性能访问特性,数据的增删改操作可以在缓存中快速完成,处理结果也会快速返回给业务应用,这就可以提升业务应用的响应速度。在使用读写缓存时,最新的数据是在 Redis 中,而 Redis是内存数据库,一旦出现掉电或宕机,内存中的数据就会丢失

根据业务应用对数据可靠性和缓存性能的不同要求,会有同步直写和异步写回两种策略。其中,同步直写策略优先保证数据可靠性,而异步写回策略优先提供快速响应

  • 同步直写是指,写请求发给缓存的同时,也会发给后端数据库进行处理,等到缓存和数据库都写完数据,才给客户端返回。这样,即使缓存宕机或发生故障,最新的数据仍然保存在数据库中,这就提供了数据可靠性保证。

不过,同步直写会降低缓存的访问性能。这是因为缓存中处理写请求的速度是很快的,而数据库处理写请求的速度较慢。即使缓存很快地处理了写请求,也需要等待数据库处理完所有的写请求,才能给应用返回结果,这就增加了缓存的响应延迟

  • 异步写回策略,则是优先考虑了响应延迟。此时,所有写请求都先在缓存中处理。等到
    这些增改的数据要被从缓存中淘汰出来时,缓存将它们写回后端数据库
    。这样一来,处理
    这些数据的操作是在缓存中进行的,很快就能完成。只不过,如果发生了掉电,而它们还
    没有被写回数据库,就会有丢失的风险了。

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  • 如果需要对写请求进行加速,我们选择读写缓存;
  • 如果写请求很少,或者是只需要提升读请求的响应速度的话,我们选择只读缓存。

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