Obsah

Představte si, že by web musel při každé vaší návštěvě zpracovávat všechna data od začátku, aby načetl obrázky, zobrazil stránky nebo získal informace. To by nejen prodloužilo dobu odezvy, ale také by to dále zatěžovalo server a systémové prostředky. Právě zde přichází na řadu cachování. Díky ukládání často používaných dat do rychlejší paměti může cachování zkrátit dobu přístupu k datům a zvýšit výkon systému. Jak ale cachování funguje, jaké typy cachování existují a jaká úskalí mohou při jeho používání nastat?

Co je cachování?

Cachování je proces ukládání často používaných dat do určité paměti. Představte si, že potřebujete každých pár minut přistupovat ke konkrétní aplikaci nebo datům. Protože se k těmto datům přistupuje často, ukládají se do místa zvaného mezipaměť (cache), aby je nebylo nutné načítat znovu při každém použití. Důvodů pro používání cachování je mnoho, jedním z nejdůležitějších je však zkrácení doby přístupu k datům.

Pevné disky jsou pomalé a ani ty nejrychlejší nedokážou dosáhnout rychlosti RAM a procesoru. Načítání dat z nich proto zabere čas. Mezipaměť je však jiná, protože jde o typ vysokorychlostní paměti. Tento typ paměti má omezenou kapacitu a dokáže uchovávat pouze často používaná data.

Typy cachování

V této části si představíme různé typy cachování a jejich využití.

  • Cachování na straně klienta

    Při této metodě se data ukládají na straně klienta, obvykle ve webovém prohlížeči. Prohlížeč si může do své mezipaměti uložit kopie webových stránek a prostředků, jako jsou obrázky, aby je mohl při dalších návštěvách zobrazit bez opětovného načítání ze serveru. Prohlížeč například dokáže podle data poslední změny stránky určit, zda je verze uložená v mezipaměti stále platná.

  • Cachování na straně serveru

    Při této metodě se data ukládají na straně serveru, aby bylo možné rychleji odpovídat na požadavky a snížit zátěž serveru i sítě. Příkladem je použití cachovacího proxy serveru, který dokáže ukládat požadovaný obsah a v případě potřeby jej poskytovat i dalším uživatelům. Dalším příkladem mechanismu cachování na straně serveru je DynaCache v IBM WebSphere Application Server.

  • Cachování celých stránek

    Při této metodě se ukládá kopie celé vykreslené webové stránky, takže ji lze při dalších požadavcích doručit, aniž by bylo nutné znovu spouštět všechny procesy generování obsahu. Tato metoda je však vhodná pouze tehdy, když lze obsah stránky cachovat a jeho změny jsou správně řízeny.

  • Cachování fragmentů

    Při této metodě se místo celé stránky ukládají do mezipaměti nezávisle na sobě její jednotlivé části. Tento přístup se hodí, pokud stránka obsahuje statický i dynamický obsah. Cachováním částí, které uložit lze, je možné zlepšit výkon stránky, aniž by bylo nutné cachovat celou stránku jako jeden celek.

  • Cachování statického obsahu

    Tato metoda slouží k ukládání obsahu, který se mění jen zřídka, například grafických obrázků a textových souborů. Protože tento obsah obvykle nevyžaduje časté aktualizace, uložení jeho kopie do mezipaměti může snížit počet požadavků na zdrojový server a zkrátit dobu načítání stránek.

  • Cachování dynamického obsahu

    Při této metodě se do mezipaměti ukládá obsah, který se může často měnit nebo který se generuje na základě informací o uživateli a dalších podmínek. Protože dynamický obsah může být personalizovaný, je obzvlášť důležité spravovat platnost mezipaměti a určovat, kdy je třeba ji aktualizovat. Příkladem řešení pro cachování dynamického obsahu je DynaCache v IBM WebSphere Application Server.
Types of Caching

Proč byste měli používat cachování?

Jak bylo zmíněno výše, jedním z důvodů pro používání cachování je zrychlení přístupu k často používaným datům. Cachování navíc snižuje výpočetní zátěž serveru. Ale proč?

Když systém často potřebuje určitá data a musí je načítat z úložiště, nejenže to trvá déle, ale zároveň to vyžaduje další zpracování ze strany CPU a dalších systémových prostředků. Pokud jsou však tato data k dispozici v mezipaměti, systém k nim může přistoupit přímo tam, aniž by musel znovu přistupovat k úložišti.

Cachování přináší i další výhody, které nejlépe vysvětlí příklad. Předpokládejme, že máte 10 GB dat, která je třeba uložit. Protože je procesor mnohem rychlejší než úložný systém, úložiště nemusí být schopné tato data ukládat stejnou rychlostí. Právě zde přichází na řadu cachování. Procesor odešle data do mezipaměti, která je pak předává úložnému systému přiměřeným tempem. Procesor tak může pokračovat v práci bez zbytečného zdržení a data se přitom správně uloží.

Jak hosting ovlivňuje výkon webu?

Cachování může výrazně zlepšit výkon webu, není však jediným faktorem, který určuje, jak rychle se web načítá. Důležitou roli hraje také hostingová infrastruktura. Serverové prostředky, jako je CPU, RAM, rychlost úložiště a výkon sítě, mohou ovlivnit, jak rychle se požadavky zpracovávají, zejména když má web vysokou návštěvnost.

I při účinné strategii cachování může výkon webu zůstat slabý, pokud hostingové prostředí nedokáže efektivně zvládat jeho zátěž. Volba hostingové služby s dostatečnými prostředky a spolehlivým výkonem může pomoci zkrátit dobu odezvy serveru a zlepšit uživatelský zážitek. Pokud tedy chcete zvýšit rychlost a výkon svého webu, může být vedle zavedení optimalizačních technik účinným krokem i průzkum tarifů webhostingu, které odpovídají potřebám vašeho webu.

Jak cachování funguje?

Cachování existuje v různých podobách a jde o určitou formu ukládání dat. Když jsou data vyžádána, nejprve se zkontroluje mezipaměť a teprve poté se data načítají z pevného disku. Protože však mezipaměť má omezenou kapacitu, nelze do ní uložit všechna systémová data. Systém proto musí určit, která data se mají do mezipaměti ukládat.

Na druhou stranu, když je mezipaměť plná a je třeba přidat nová, často používaná data, musí systém rozhodnout, která stávající data odstranit. K tomuto účelu slouží různé algoritmy, které vyhodnocují, u kterých dat je nejméně pravděpodobné, že budou znovu použita.

Co je cache miss?

Když aplikace požaduje různé typy dat, požadavky se odesílají do mezipaměti. Pokud požadovaná data v mezipaměti nejsou k dispozici, roste počet tzv. cache miss (neúspěšných přístupů do mezipaměti). To znamená, že systém opakovaně přistoupil do mezipaměti, ale protože tam potřebná data nebyla, musel je načíst z úložiště.

To snižuje výkon systému. Tento problém lze řešit zvýšením kapacity mezipaměti.

Co je RAID řadič?

RAID řadič je hardwarová komponenta serverů navržená speciálně ke zlepšení výkonu cachování a úložiště. Jeho mezipaměť s využitím flash paměti poskytuje dodatečnou úložnou kapacitu a výrazně zvyšuje výkon serveru.

Úskalí cachování

  • Lokální mezipaměť: Ukládání různých verzí stejných dat ve více systémech může vést k nekonzistenci dat a snížit efektivitu cachování.
  • Problém koherence mezipaměti: Když se data v jedné mezipaměti změní, je obtížné udržet odpovídající kopie těchto dat synchronizované v ostatních mezipamětích.
  • Cache penetration: K tomuto jevu dochází, když požadovaná data neexistují ani v mezipaměti, ani v původní databázi. Tento problém může pomoci omezit použití Bloomova filtru.
  • Cache avalanche: Výpadek mezipaměti nebo současné vypršení platnosti velkého množství položek v mezipaměti může do databáze poslat obrovské množství požadavků a způsobit výpadky. Tento problém může pomoci zmírnit použití clusteru mezipaměti a nástrojů, jako je Hystrix.

Závěrem

Cachování je účinný způsob, jak zvýšit výkon systému, zkrátit dobu přístupu k datům a snížit výpočetní zátěž serverů. Podle požadavků systému lze k ukládání a rychlejšímu doručování často používaných dat využít různé metody cachování. Pro udržení výkonu a předcházení problémům, jako jsou cache miss, problémy s koherencí mezipaměti nebo cache avalanche, je však zásadní zvolit správnou strategii cachování a řádně spravovat data v mezipaměti. Pochopení toho, jak cachování funguje, jaké má typy a jaká přináší úskalí, vám pomůže lépe se rozhodovat při návrhu a optimalizaci systémů.

Časté dotazy

1. Jak fungují algoritmy pro vyřazování dat z mezipaměti?

Algoritmy pro vyřazování dat z mezipaměti určují, která data se mají odstranit, když mezipaměť dosáhne své kapacity. Algoritmy jako LRU (Least Recently Used) a LFU (Least Frequently Used) vybírají data podle toho, jak nedávno nebo jak často se k nim přistupovalo.

Použití obou metod zvyšuje zabezpečení dedikovaného serveru a dostupnost služeb.

2. Co je koherence mezipaměti a proč je důležitá?

Koherence mezipaměti zajišťuje, že více kopií stejných dat uložených v mezipaměti zůstává při změnách konzistentních. Je obzvlášť důležitá v distribuovaných systémech a víceprocesorových prostředích, kde může více mezipamětí uchovávat kopie stejných dat.