Замислете дека секогаш кога посетувате веб-сајт, тој мора од почеток да ги обработи сите податоци за да вчита слики, да прикаже страници или да преземе информации. Тоа не само што го зголемува времето на одговор, туку и дополнително ги оптоварува серверот и системските ресурси. Токму тука на сцена стапува кеширањето. Со зачувување на често користените податоци во побрза меморија, кеширањето може да го намали времето за пристап до податоците и да ги подобри перформансите на системот. Но, како функционира кеширањето, кои типови на кеширање постојат и какви предизвици може да се појават при неговата употреба?
Што е кеширање?
Кеширањето е процес на зачувување на често користени податоци во одредена меморија. Да претпоставиме дека на секои неколку минути ви треба пристап до одредена апликација или податок. Бидејќи до овие податоци често се пристапува, тие се зачувуваат на место наречено кеш, за да не мора да се преземаат одново секогаш кога ги користите. Постојат многу причини за користење кеширање, но една од најважните е намалувањето на времето за пристап до податоците.
Тврдите дискови се бавни и дури ни најбрзите од нив не можат да се мерат со брзината на RAM меморијата и процесорот. Поради тоа, преземањето податоци од нив одзема време. Кеш меморијата, пак, е поинаква бидејќи претставува тип на брза меморија. Овој тип меморија има ограничен капацитет и може да зачувува само често користени податоци.
Типови на кеширање
Во овој дел ќе ги разгледаме различните типови на кеширање и нивната примена.
Кеширање на страната на клиентот
Кај овој метод, податоците се зачувуваат на страната на клиентот, обично во веб-прелистувачот. Прелистувачот може да зачува копии од веб-страници и ресурси како што се сликите во својот кеш, за да можат да се прикажат при следните посети без повторно да се преземаат од серверот. На пример, со проверка кога страницата била последен пат изменета, прелистувачот може да утврди дали кешираната верзија сè уште е валидна.Кеширање на страната на серверот
Кај овој метод, податоците се зачувуваат на страната на серверот за побрзо одговарање на барањата и намалување на оптоварувањето на серверот и мрежата. Еден пример е користењето кеширачки прокси-сервер, кој може да ја зачува побараната содржина и, по потреба, да ја испорача истата содржина и на други корисници. DynaCache во IBM WebSphere Application Server е уште еден пример за механизам за кеширање на страната на серверот.Кеширање на цела страница
Кај овој метод, се зачувува копија од целата рендерирана веб-страница, така што при следните барања страницата може да се испорача без повторно да се извршуваат сите процеси за генерирање на содржината. Сепак, овој метод е соодветен само кога содржината на страницата може да се кешира и кога нејзините промени се правилно управувани.Кеширање на фрагменти
Кај овој метод, наместо да се зачувува целата страница, одделни делови од страницата се кешираат независно. Овој пристап е корисен кога страницата содржи и статична и динамична содржина. Со кеширање на деловите што можат да се зачуваат, перформансите на страницата може да се подобрат без да мора целата страница да се кешира како една целина.Кеширање на статична содржина
Овој метод се користи за зачувување содржина што ретко се менува, како што се графичките слики и текстуалните датотеки. Бидејќи оваа содржина обично не бара чести ажурирања, зачувувањето копија во кешот може да го намали бројот на барања до изворниот сервер и да го скрати времето за вчитување на страниците.Кеширање на динамична содржина
Кај овој метод се кешира содржина што може често да се менува или се генерира врз основа на информациите и условите на корисникот. Бидејќи динамичната содржина може да биде персонализирана, особено е важно да се управува со валидноста на кешот и да се одреди кога треба да се ажурира. DynaCache во IBM WebSphere Application Server е пример за решение за кеширање на динамична содржина.
Зошто треба да користите кеширање?
Како што споменавме погоре, една од причините за користење кеширање е зголемувањето на брзината на пристап до често користени податоци. Освен тоа, кеширањето го намалува оптоварувањето на серверот при обработка. Но, зошто?
Кога на системот често му е потребен одреден податок и мора да го презема од складиштето, тоа не само што одзема повеќе време, туку бара и дополнителна обработка од CPU и другите системски ресурси. Меѓутоа, ако овие податоци се достапни во кешот, системот може да пристапи до кешот и да ги преземе податоците без повторно да мора да пристапува до складиштето.
Кеширањето нуди и други придобивки, кои полесно се разбираат преку пример. Да претпоставиме дека имате 10 GB податоци што треба да се зачуваат. Бидејќи процесорот е многу побрз од системот за складирање, системот за складирање можеби нема да може да ги зачува овие податоци со истата брзина. Токму тука на сцена стапува кеширањето. Процесорот ги испраќа податоците во кешот, а кешот потоа ги доставува до системот за складирање со соодветно темпо. Така процесорот може да продолжи да работи без непотребни застои, а истовремено се обезбедува податоците да бидат правилно зачувани.
Како хостингот влијае на перформансите на веб-сајтот?
Кеширањето може значително да ги подобри перформансите на веб-сајтот, но тоа не е единствениот фактор што одредува колку брзо се вчитува сајтот. Важна улога игра и хостинг-инфраструктурата. Серверските ресурси како што се CPU, RAM, брзината на складирањето и мрежните перформанси може да влијаат на тоа колку брзо се обработуваат барањата, особено кога веб-сајтот има голем сообраќај.
Дури и со ефикасна стратегија за кеширање, перформансите на веб-сајтот може да останат слаби ако хостинг-околината не може ефикасно да се справи со оптоварувањето на сајтот. Изборот на хостинг-услуга со доволно ресурси и сигурни перформанси може да помогне да се намали времето на одговор на серверот и да се подобри корисничкото искуство. Затоа, ако сакате да ги подобрите брзината и перформансите на вашиот веб-сајт, разгледувањето на пакетите за веб-хостинг што одговараат на потребите на вашиот сајт може да биде ефикасен чекор, заедно со примената на техники за оптимизација.
Како функционира кеширањето?
Кеширањето се јавува во различни типови и претставува форма на складирање. Кога се бараат податоци, најпрво се проверува кешот, пред податоците да се преземат од тврдиот диск. Меѓутоа, бидејќи кеш меморијата има ограничен капацитет, во неа не можат да се зачуваат сите податоци на системот. Затоа, системот мора да одреди кои податоци треба да се зачуваат во кешот.
Од друга страна, кога кешот е полн, а треба да се додадат нови, често користени податоци, системот мора да одлучи кои постоечки податоци треба да се отстранат. За таа цел постојат различни алгоритми, кои проценуваат за кои податоци е најмалку веројатно повторно да се користат.
Што е промашување на кешот (cache miss)?
Кога една апликација бара различни типови податоци, барањата се испраќаат до кешот. Ако побараните податоци не се достапни во кешот, бројот на промашувања на кешот се зголемува. Тоа значи дека системот повеќепати пристапил до кешот, но бидејќи потребните податоци не биле достапни, морал да ги преземе од складиштето.
Ова ги намалува перформансите на системот. За да се реши овој проблем, може да се зголеми капацитетот на кешот.
Што е RAID контролер?
RAID контролерот е хардверска компонента во серверите, специјално дизајнирана за подобрување на перформансите на кеширањето и складирањето. Со помош на флеш-меморија, неговиот кеш обезбедува дополнителен капацитет за складирање и значително ги подобрува перформансите на серверот.
Предизвици на кеширањето
- Локален кеш: Зачувувањето различни верзии од истите податоци на повеќе системи може да доведе до неусогласеност на податоците и да ја намали ефикасноста на кеширањето.
- Проблем со кохерентноста на кешот: Кога податоците се менуваат во еден кеш, одржувањето на соодветните копии од тие податоци синхронизирани во другите кешови станува предизвик.
- Пробивање на кешот (cache penetration): Ова се случува кога побараните податоци не постојат ниту во кешот ниту во оригиналната база на податоци. Користењето Bloom филтер може да помогне да се ублажи овој проблем.
- Лавина на кешот (cache avalanche): Отказ на кешот или истовремено истекување на голем број кеширани ставки може да испрати огромен број барања до базата на податоци и потенцијално да предизвика прекини. Користењето кеш-кластер и алатки како Hystrix може да помогне во ублажувањето на овој проблем.
Заклучок
Кеширањето е ефикасен начин за подобрување на перформансите на системот, намалување на времето за пристап до податоците и намалување на оптоварувањето на серверите при обработка. Во зависност од потребите на системот, може да се користат различни методи на кеширање за зачувување на често користени податоци и нивно побрзо испорачување. Сепак, изборот на вистинската стратегија за кеширање и правилното управување со кешираните податоци се клучни за одржување на перформансите и спречување проблеми како што се промашувањата на кешот, проблемите со кохерентноста на кешот и лавините на кешот. Разбирањето како функционира кеширањето, кои се неговите типови и потенцијалните предизвици ви помага да донесувате подобри одлуки при дизајнирањето и оптимизирањето на системите.
Најчесто поставувани прашања
1. Како функционираат алгоритмите за исфрлање од кешот?
Алгоритмите за исфрлање од кешот одредуваат кои податоци треба да се отстранат кога кешот ќе го достигне својот капацитет. Алгоритмите како LRU (Least Recently Used – најдолго некористени) и LFU (Least Frequently Used – најретко користени) ги избираат податоците врз основа на тоа колку неодамна или колку често се пристапувало до нив.
Користењето на двата методи ги подобрува безбедноста на наменскиот сервер и достапноста на услугата.
2. Што е кохерентност на кешот и зошто е важна?
Кохерентноста на кешот обезбедува повеќе кеширани копии од истите податоци да останат усогласени кога ќе настанат промени. Таа е особено важна во дистрибуирани системи и во повеќепроцесорски околини, каде што повеќе кешови може да чуваат копии од истите податоци.
