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服务存储设计模式:Cache-Aside模式

来源:今日头条 时间:2023-08-04 02:46:56

Cache-Aside模式一种常用的缓存方式,通常是把数据从主存储加载到KV缓存中,加速后续的访问。在存在重复度的场景,Cache-Aside可以提升服务性能,降低底层存储的压力,缺点是缓存和底层存储会存在不一致。


(资料图片)

业务场景和面临问题

在开发应用时,使用缓存被多次访问的数据是常见的操作。但是,缓存和底层存储的数据完全一致是一种不切实际的想法。我们需要一种策略,来保证缓存里的数据尽量及时更新,同时也要能够检测并应对缓存数据过期的情况。

解决方案

很多商业化的缓存访问提供了 read-throgh 和write-through/write-behind 的操作。这种模式下,读写都要先经过缓存,操作流程是这样的:

读取数据:如果缓存miss,应用层就从底层存储读取数据,然后写入缓存。更新数据:涉及数据修改时,直接修改缓存里的数据即可,缓存服务会自动将修改同步到底层存储。

如果缓存不提供数据同步能力,应用层就要负责数据在缓存和底层存储的同步。

使用cache-aside策略,应用层能够模拟read-through缓存的能力。这种策略会要求应用层按需把数据加载进缓存,下图给出了存储数据的过程:

如果应用层更新了数据,就可以采用write-through策略。做法也比较简单:1)修改底层存储的数据;2)将缓存里的这条数据置为失效(删除/过期)。

下一次这条数据被请求时,使用cache-aside策略:1)应用层从底层存储获取更新后的数据;2)写入缓存。

存在问题和注意事项

在此用这个模式时,需要考虑以下几点:

缓存数据的生命周期。很多缓存实现方案会设置过期时间,如果数据在一段时间内没有被访问,缓存中置为失效并逐出这条数据。为了保证cache-aside模式有效,需要保证缓存失效机制与数据的访问模式是一致的。如果缓存失效时间太短,可能会导致应用层反复从底层存储获取数据写入缓存。如果缓存过期时间太长,缓存的数据很可能是过期的,与底层存储不一致。对于半静态的数据(更新频次低)或读取频繁的数据进行缓存,能达到最好的效果。

逐出数据。相对于底层存储,缓存的容量一般是有限的,必须要是需要逐出数据。很多缓存采用LRU机制,当然我们也可以自己定制逐出机制。通常为了保证缓存的性价比,所有数据都会被配置一个全局的缓存过期属性。有个别例外的情况,比如从底层存储中获取一份数据项效率非常低(读取频率一般),另一份数据项从底层存储获取效率高(读取频率也高),那么缓存获取效率低的数据收益可能更大。

服务启动时填充缓存。一些场景下,服务启动时,会把存量数据加载到缓存里。这种情况下如果有数据过期或被逐出的情况,同样可以采用cache-aside模式。

数据一致性。cache-aside模式并不能保证缓存和底层存储的数据一致性。存储里的数据任何时候都可能被更改,如果是外部服务,缓存可能感知不到数据更新。如果一个系统中,多个存储都存了数据的备份,频繁发生数据同步的情况下,数据不一致的情况会更严重。

本地缓存,也叫内存缓存。数据缓存在服务实例的内存中,是有该实例能访问。如果服务实例频繁访问同样的数据,也可以使用Cache-Aside模式。但是本地缓存是允许本服务实例访问,不同的服务实例都在本地内存存储了一份数据。不同实例的缓存很快变得不一致,这就需要更频繁地刷新缓存中的数据。在这类场景中,可以考虑使用分片或分布式缓存方案。

应用场景

适用场景:

缓存并不提供原生的 read-through 或 write-through 的能力。资源需求无法预估的场景。cache-aside模式允许应用按需加载数据到缓存,不需要提前对数据的需求量进行评估。

不适用场景:

缓存数据是静态的。如果缓存空间能容纳这些数据,可以在服务启动时填充缓存,并采用一些策略避免其过期。Web农场托管的大量Web应用,如果Web应用支持亲和性调度(client倾向于找上次服务过的server),client/server之间尽量不要引入额外依赖,比如session信息缓存。

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