Imagina que, cada vegada que visites un lloc web, aquest ha de processar totes les dades des de zero per carregar les imatges, mostrar les pàgines o recuperar informació. Això no només augmenta els temps de resposta, sinó que també exerceix una pressió addicional sobre el servidor i els recursos del sistema. Aquí és on entra en joc la memòria cau. En emmagatzemar les dades a les quals s’accedeix amb freqüència en una memòria més ràpida, la memòria cau pot reduir els temps d’accés a les dades i millorar el rendiment del sistema. Però com funciona la memòria cau, quins tipus n’hi ha i quins reptes poden sorgir en utilitzar-la?
Què és la memòria cau?
L’emmagatzematge en memòria cau és el procés de desar les dades que s’utilitzen amb freqüència en una memòria específica. Suposem que necessites accedir a una aplicació o a una dada concreta cada pocs minuts. Com que s’hi accedeix sovint, aquesta dada s’emmagatzema en un lloc anomenat memòria cau perquè no calgui recuperar-la cada vegada que la fas servir. Hi ha moltes raons per utilitzar la memòria cau, però una de les més importants és reduir el temps d’accés a les dades.
Els discos durs són lents, i ni tan sols els més ràpids poden igualar la velocitat de la RAM i del processador. Per aquest motiu, recuperar-ne dades requereix temps. La memòria cau, en canvi, és diferent perquè és un tipus de memòria d’alta velocitat. Aquest tipus de memòria té una capacitat limitada i només pot emmagatzemar les dades a les quals s’accedeix amb freqüència.
Tipus de memòria cau
En aquesta secció repassarem els diferents tipus de memòria cau i les seves aplicacions.
Memòria cau del costat del client
En aquest mètode, les dades s’emmagatzemen al costat del client, normalment en un navegador web. El navegador pot desar a la seva memòria cau còpies de pàgines web i de recursos com ara imatges, de manera que es puguin mostrar en visites posteriors sense haver-los de recuperar de nou del servidor. Per exemple, comprovant quan es va modificar una pàgina per última vegada, el navegador pot determinar si la versió emmagatzemada a la memòria cau encara és vàlida.Memòria cau del costat del servidor
En aquest mètode, les dades s’emmagatzemen al costat del servidor per respondre les sol·licituds més ràpidament i reduir la càrrega del servidor i de la xarxa. Un exemple és l’ús d’un servidor intermediari (proxy) amb memòria cau, que pot emmagatzemar el contingut sol·licitat i oferir aquest mateix contingut a altres usuaris quan calgui. DynaCache a IBM WebSphere Application Server és un altre exemple de mecanisme de memòria cau del costat del servidor.Memòria cau de pàgina completa
En aquest mètode, s’emmagatzema una còpia de tota la pàgina web renderitzada perquè, en sol·licituds posteriors, la pàgina es pugui lliurar sense haver d’executar de nou tots els processos de generació de contingut. Tanmateix, aquest mètode només és adequat quan el contingut de la pàgina es pot emmagatzemar a la memòria cau i se’n gestionen correctament els canvis.Memòria cau de fragments
En aquest mètode, en lloc d’emmagatzemar tota la pàgina, es desen a la memòria cau seccions específiques de manera independent. Aquest enfocament és útil quan una pàgina conté tant contingut estàtic com dinàmic. En emmagatzemar a la memòria cau les seccions que es poden desar, es pot millorar el rendiment de la pàgina sense haver de desar-la sencera com una sola unitat.Memòria cau de contingut estàtic
Aquest mètode s’utilitza per emmagatzemar contingut que canvia poc, com ara imatges gràfiques i fitxers de text. Com que aquest contingut normalment no requereix actualitzacions freqüents, desar-ne una còpia a la memòria cau pot reduir el nombre de sol·licituds al servidor d’origen i disminuir els temps de càrrega de les pàgines.Memòria cau de contingut dinàmic
En aquest mètode, es desa a la memòria cau contingut que pot canviar sovint o que es genera en funció de la informació i les condicions de l’usuari. Com que el contingut dinàmic pot estar personalitzat, és especialment important gestionar la validesa de la memòria cau i determinar quan cal actualitzar-la. DynaCache a IBM WebSphere Application Server és un exemple de solució per a la memòria cau de contingut dinàmic.
Per què hauries d’utilitzar la memòria cau?
Com s’ha esmentat anteriorment, una de les raons per utilitzar la memòria cau és augmentar la velocitat d’accés a les dades d’ús freqüent. A més, la memòria cau redueix la càrrega de processament del servidor. Però per què?
Quan un sistema necessita sovint una dada concreta i l’ha de recuperar de l’emmagatzematge, no només triga més temps, sinó que també implica un processament addicional per part de la CPU i d’altres recursos del sistema. En canvi, si aquesta dada està disponible a la memòria cau, el sistema pot accedir-hi i recuperar-la sense haver d’accedir de nou a l’emmagatzematge.
La memòria cau també ofereix altres avantatges, que s’entenen més fàcilment amb un exemple. Suposem que tens 10 GB de dades que cal emmagatzemar. Com que el processador és molt més ràpid que el sistema d’emmagatzematge, és possible que aquest no pugui desar les dades a la mateixa velocitat. Aquí és on entra en joc la memòria cau. El processador envia les dades a la memòria cau, i aquesta les lliura al sistema d’emmagatzematge a un ritme adequat. Això permet que el processador continuï treballant sense retards innecessaris i, alhora, garanteix que les dades s’emmagatzemin correctament.
Com afecta l’allotjament al rendiment d’un lloc web?
La memòria cau pot millorar significativament el rendiment d’un lloc web, però no és l’únic factor que determina la rapidesa amb què es carrega. La infraestructura d’allotjament també hi té un paper important. Els recursos del servidor, com ara la CPU, la RAM, la velocitat d’emmagatzematge i el rendiment de la xarxa, poden influir en la rapidesa amb què es processen les sol·licituds, sobretot quan un lloc web rep molt de trànsit.
Fins i tot amb una estratègia de memòria cau eficaç, el rendiment del lloc web pot continuar sent deficient si l’entorn d’allotjament no és capaç de gestionar eficientment la càrrega de treball del lloc. Triar un servei d’allotjament amb recursos suficients i un rendiment fiable pot ajudar a reduir els temps de resposta del servidor i a millorar l’experiència de l’usuari. Per tant, si vols millorar la velocitat i el rendiment del teu lloc web, explorar plans d’allotjament web que s’adaptin a les necessitats del teu lloc pot ser un pas eficaç, juntament amb l’aplicació de tècniques d’optimització.
Com funciona la memòria cau?
La memòria cau n’hi ha de diferents tipus i és una forma d’emmagatzematge. Quan se sol·liciten unes dades, primer es comprova la memòria cau abans de recuperar-les del disc dur. Tanmateix, com que la memòria cau té una capacitat limitada, no s’hi poden emmagatzemar totes les dades del sistema. Per tant, el sistema ha de determinar quines dades s’hi han de desar.
D’altra banda, quan la memòria cau és plena i cal afegir-hi dades noves a les quals s’accedeix amb freqüència, el sistema ha de decidir quines dades existents s’han d’eliminar. Per a aquest propòsit hi ha diversos algorismes, que avaluen quines dades tenen menys probabilitats de tornar-se a utilitzar.
Què és una fallada de memòria cau (cache miss)?
Quan una aplicació sol·licita diferents tipus de dades, les sol·licituds s’envien a la memòria cau. Si les dades sol·licitades no hi són disponibles, el nombre de fallades de memòria cau augmenta. Això vol dir que el sistema ha accedit diverses vegades a la memòria cau, però, com que les dades necessàries no hi eren, les ha hagut de recuperar de l’emmagatzematge.
Això redueix el rendiment del sistema. Per resoldre aquest problema, es pot augmentar la capacitat de la memòria cau.
Què és una controladora RAID?
Una controladora RAID és un component de maquinari dels servidors dissenyat específicament per millorar el rendiment de la memòria cau i de l’emmagatzematge. Amb l’ajuda de memòria flaix, la seva memòria cau proporciona capacitat d’emmagatzematge addicional i millora significativament el rendiment del servidor.
Reptes de la memòria cau
- Memòria cau local: emmagatzemar versions diferents de les mateixes dades en diversos sistemes pot provocar incoherències en les dades i reduir l’eficiència de la memòria cau.
- Problema de coherència de la memòria cau: quan les dades canvien en una memòria cau, mantenir sincronitzades les còpies corresponents d’aquestes dades en altres memòries cau esdevé un repte.
- Penetració de la memòria cau: es produeix quan les dades sol·licitades no existeixen ni a la memòria cau ni a la base de dades original. L’ús d’un filtre de Bloom pot ajudar a reduir aquest problema.
- Allau de la memòria cau: una fallada de la memòria cau o la caducitat simultània d’un gran nombre d’elements emmagatzemats pot enviar un volum massiu de sol·licituds a la base de dades i provocar possibles interrupcions. L’ús d’un clúster de memòria cau i d’eines com Hystrix pot ajudar a mitigar aquest problema.
En definitiva
La memòria cau és una manera eficaç de millorar el rendiment del sistema, reduir els temps d’accés a les dades i disminuir la càrrega de processament dels servidors. Segons els requisits del sistema, es poden utilitzar diferents mètodes de memòria cau per emmagatzemar les dades d’accés freqüent i lliurar-les més ràpidament. Tanmateix, triar l’estratègia de memòria cau adequada i gestionar correctament les dades emmagatzemades és essencial per mantenir el rendiment i evitar problemes com les fallades de memòria cau, els problemes de coherència i les allaus de memòria cau. Entendre com funciona la memòria cau, els seus diferents tipus i els reptes que pot comportar t’ajuda a prendre millors decisions a l’hora de dissenyar i optimitzar sistemes.
Preguntes freqüents
1. Com funcionen els algorismes d’expulsió de la memòria cau?
Els algorismes d’expulsió de la memòria cau determinen quines dades s’han d’eliminar quan la memòria cau arriba al límit de la seva capacitat. Algorismes com LRU (Least Recently Used, utilitzat menys recentment) i LFU (Least Frequently Used, utilitzat menys freqüentment) seleccionen les dades en funció de com de recentment o com de sovint s’hi ha accedit.
L’ús de tots dos mètodes millora la seguretat dels servidors dedicats i la disponibilitat del servei.
2. Què és la coherència de la memòria cau i per què és important?
La coherència de la memòria cau garanteix que diverses còpies de les mateixes dades emmagatzemades en memòria cau es mantinguin coherents quan es produeixen canvis. És especialment important en sistemes distribuïts i en entorns multiprocessador, on diverses memòries cau poden emmagatzemar còpies de les mateixes dades.
