Кэширование. Часть 2 — Виды кэшей и системы кэширования

Системы кэширования

Внутрипроцессный кэш:

Внутрипроцессный кэш — это тип кэша, который находится внутри самого приложения. Он обеспечивает высокую производительность чтения и записи при нулевых сетевых затратах. Однако его объем ограничен объемом памяти, и кэшированные данные теряются при перезапуске процесса. Внутрипроцессный кэш может быть реализован в виде библиотеки, такой как Google Guava Cache.

Межпроцессный кэш

Межпроцессный кэш, также известный как локальный кэш, выполняется в отдельном процессе на локальном компьютере. Он обеспечивает высокую скорость чтения и записи, не требует затрат на подключение к сети и не приводит к потере данных при перезапуске прикладного процесса. Однако наличие бизнес-логики и кэша на одном хосте может усложнить эксплуатацию и затраты на техническое обслуживание, а кэшированные данные будут потеряны в случае сбоя хоста. Межпроцессный кэш обычно реализуется в виде локально развернутого стороннего хранилища, такого как RocksDB, Memcached и Redis в автономном режиме.

Удаленный кэш

Удаленный кэш развертывается на отдельном от приложения компьютере, обычно состоящем из нескольких компьютеров, развернутых вместе. Он обеспечивает лучшую масштабируемость, простоту развертывания и обслуживания, а также возможность совместного использования несколькими приложениями. Однако для развертывания удаленного кэша требуются выделенные ресурсы, такие как оборудование, программное обеспечение и т.д. Доступ к данным из удаленного кэша требует подключения к сети, что может увеличить задержку и снизить производительность. Примеры удаленного кэша включают Memcached и Redis, развернутые на удаленных серверах.

Несколько наиболее популярных систем кэширования:

1. Memcached – одна из самых старых и широко используемых систем кэширования в памяти. Она проста в использовании и поддерживает горизонтальное масштабирование, что делает её популярным выбором для многих веб-приложений.
2. Redis – очень мощная система хранения структуры данных в памяти, которая может быть использована как система кэширования. Redis поддерживает различные типы данных (например, строки, списки, множества) и обладает богатым набором функций, включая поддержку транзакций, репликацию и встроенные механизмы устойчивости.
3. Varnish – высокопроизводительный HTTP-акселератор, предназначенный для использования в качестве обратного прокси-сервера. Он особенно хорош для кэширования статического контента и часто используется для ускорения загрузки веб-сайтов.
4. Nginx – популярный веб-сервер, который также может использоваться как обратный прокси, балансировщик нагрузки и кэш. Nginx часто используется для кэширования содержимого на стороне сервера и может значительно увеличить производительность веб-приложений.
5. Apache Traffic Server – высокопроизводительный кэш-прокси сервер, предназначенный для развертывания в качестве обратного и прямого прокси. Он обладает гибкой системой конфигурации и может масштабироваться для обработки очень большого трафика.
6. CDN (Content Delivery Networks) – хотя это не системы кэширования в традиционном смысле, CDN используются для кэширования статического контента (например, изображений, стилей, JavaScript) на географически распределённых серверах, чтобы уменьшить задержку и ускорить загрузку ресурсов для пользователей по всему миру.
7. Ehcache – популярная Java-библиотека для кэширования объектов, часто используемая в корпоративных приложениях для уменьшения нагрузки на базы данных и ускорения работы приложений.

Эти системы могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, в зависимости от требований проекта и желаемой архитектуры решения. Выбор конкретной системы кэширования зависит от множества факторов, включая тип хранимых данных, необходимую скорость доступа к данным, требования к масштабируемости и отказоустойчивости.

8. Apache Ignite – это система кэширования в памяти с открытым исходным кодом, которая предлагает распределённое хранение данных и вычисления. Она позволяет масштабировать данные в памяти по нескольким серверам для обеспечения высокой доступности и производительности. Apache Ignite может использоваться как в качестве высокопроизводительного кэша, так и как полноценной базы данных.
9. Hazelcast – ещё одна система кэширования в памяти, которая предоставляет распределённое кэширование и выполнение операций в памяти. Hazelcast применяется для создания масштабируемых приложений, увеличения производительности за счёт уменьшения времени доступа к данным. Эта система поддерживает различные структуры данных, такие как карты, очереди и множества.
10. Couchbase Server – это NoSQL база данных, которая также может использоваться для кэширования. Она предлагает мощные функции кэширования благодаря своим встроенным возможностям управления данными в памяти. Couchbase подходит для сценариев, требующих быстрого доступа к данным и горизонтального масштабирования.
11. Aerospike – база данных высокой производительности, оптимизированная для использования как на SSD, так и в оперативной памяти. Aerospike предлагает масштабируемость и высокую производительность, делая её подходящим выбором для кэширования больших объёмов данных с низкой задержкой.
12. RabbitMQ и Kafka – хотя это в первую очередь системы очередей сообщений, их можно использовать для кэширования сообщений или данных в некоторых сценариях. Они обеспечивают временное хранение данных и могут служить механизмом для уменьшения нагрузки на базы данных или другие части системы.
13. Fastly – это CDN, который предлагает расширенные возможности кэширования и управления трафиком на краю сети. Fastly особенно подходит для динамического контента и API, предлагая инструменты для микро кэширования и быстрого сброса кэша.
14. Cloudflare – ещё один CDN, который предоставляет широкий спектр услуг по безопасности и производительности для веб-приложений, включая кэширование содержимого. Cloudflare автоматически кэширует статический контент и предлагает гибкие правила для управления кэшированием.

Дополнительные Системы и Инструменты

• Guava Cache: Для разработчиков на Java, Guava Cache от Google предоставляет легковесную, гибкую реализацию локального кэширования. Ее API поддерживает множество настраиваемых стратегий кэширования и инвалидации.
• Spring Cache: Часть экосистемы Spring, Spring Cache предоставляет абстракцию над различными провайдерами кэширования, упрощая интеграцию кэширования в приложения на базе Spring.
• Microsoft AppFabric: Для разработчиков .NET, AppFabric предоставляет инструменты для кэширования данных в памяти, которые могут быть использованы для ускорения веб-приложений и обеспечения высокой доступности.
• Oracle Coherence: Представляет собой распределенное решение для кэширования и управления данными, которое обеспечивает масштабируемость, надежность и расширенную поддержку транзакционности.

Проблемы кэширования

https://blog.bytebytego.com/p/a-crash-course-in-caching-final-part