高性能服务器架构思路(二)——缓冲清理策略
发表于2016-10-25
虽然使用缓存思想似乎是一个很简单的事情，但是缓存机制却有一个核心的难点，就是——缓存清理。我们所说的缓存，都是保存一些数据，但是这些数据往往是会变化的，我们要针对这些变化，清理掉保存的“脏”数据，却可能不是那么容易。
首先我们来看看最简单的缓存数据——静态数据。这种数据往往在程序的运行时是不会变化的，比如Web服务器内存中缓存的HTML文件数据，就是这种。事实上，所有的不是由外部用户上传的数据，都属于这种“运行时静态数据”。一般来说，我们对这种数据，可以采用两种建立缓存的方法：一是程序一启动，就一股脑把所有的静态数据从文件或者数据库读入内存；二就是程序启动的时候并不加载静态数据，而是等有用户访问相关数据的时候，才去加载，这也就是所谓lazy load的做法。第一种方法编程比较简单，程序的内存启动后就稳定了，不太容易出现内存漏洞（如果加载的缓存太多，程序在启动后立刻会因内存不足而退出，比较容易发现问题）；第二种方法程序启动很快，但要对缓存占用的空间有所限制或者规划，否则如果要缓存的数据太多，可能会耗尽内存，导致在线服务中断。
一般来说，静态数据是不会“脏”的，因为没有用户会去写缓存中的数据。但是在实际工作中，我们的在线服务往往会需要“立刻”变更一些缓存数据。比如在门户网站上发布了一条新闻，我们会希望立刻让所有访问的用户都看到。按最简单的做法，我们一般只要重启一下服务器进程，内存中的缓存就会消失了。对于静态缓存的变化频率非常低的业务，这样是可以的，但是如果是新闻网站，就不能每隔几分钟就重启一下WEB服务器进程，这样会影响大量在线用户的访问。常见的解决这类问题有两种处理策略：
第一种是使用控制命令。简单来说，就是在服务器进程上，开通一个实时的命令端口，我们可以通过网络数据包（如UDP包），或者Linux系统信号（如kill SIGUSR2进程号）之类的手段，发送一个命令消息给服务器进程，让进程开始清理缓存。这种清理可能执行的是最简单的“全部清理”，也有的可以细致一点的，让命令消息中带有“想清理的数据ID”这样的信息，比如我们发送给WEB服务器的清理消息网络包中会带一个字符串URL，表示要清理哪一个HTML文件的缓存。这种做法的好处是清理的操作很精准，可以明确的控制清理的时间和数据。但是缺点就是比较繁琐，手工去编写发送这种命令很烦人，所以一般我们会把清理缓存命令的工作，编写到上传静态数据的工具当中，比如结合到网站的内容发布系统中，一旦编辑提交了一篇新的新闻，发布系统的程序就自动的发送一个清理消息给WEB服务器。
第二种是使用字段判断逻辑。也就是服务器进程，会在每次读取缓存前，根据一些特征数据，快速的判断内存中的缓存和源数据内容，是否有不一致（是否脏）的地方，如果有不一致的地方，就自动清理这条数据的缓存。这种做法会消耗一部分CPU，但是就不需要人工去处理清理缓存的事情，自动化程度很高。现在我们的浏览器和WEB服务器之间，就有用这种机制：检查文件MD5；或者检查文件最后更新时间。具体的做法，就是每次浏览器发起对WEB服务器的请求时，除了发送URL给服务器外，还会发送一个缓存了此URL对应的文件内容的MD5校验串、或者是此文件在服务器上的“最后更新时间”（这个校验串和“最后更新时间”是第一次获的文件时一并从服务器获得的）；服务器收到之后，就会把MD5校验串或者最后更新时间，和磁盘上的目标文件进行对比，如果是一致的，说明这个文件没有被修改过（缓存不是“脏”的），可以直接使用缓存。否则就会读取目标文件返回新的内容给浏览器。这种做法对于服务器性能是有一定消耗的，所以如果往往我们还会搭配其他的缓存清理机制来用，比如我们会在设置一个“超时检查”的机制：就是对于所有的缓存清理检查，我们都简单的看看缓存存在的时间是否“超时”了，如果超过了，才进行下一步的检查，这样就不用每次请求都去算MD5或者看最后更新时间了。但是这样就存在“超时”时间内缓存变脏的可能性。
WEB服务器静态缓存例子
上面说了运行时静态的缓存清理，现在说说运行时变化的缓存数据。在服务器程序运行期间，如果用户和服务器之间的交互，导致了缓存的数据产生了变化，就是所谓“运行时变化缓存”。比如我们玩网络游戏，登录之后的角色数据就会从数据库里读出来，进入服务器的缓存（可能是堆内存或者memcached、共享内存），在我们不断进行游戏操作的时候，对应的角色数据就会产生修改的操作，这种缓存数据就是“运行时变化的缓存”。这种运行时变化的数据，有读和写两个方面的清理问题：由于缓存的数据会变化，如果另外一个进程从数据库读你的角色数据，就会发现和当前游戏里的数据不一致；如果服务器进程突然结束了，你在游戏里升级，或者捡道具的数据可能会从内存缓存中消失，导致你白忙活了半天，这就是没有回写（缓存写操作的清理）导致的问题。这种情况在电子商务领域也很常见，最典型的就是火车票网上购买的系统，火车票数据缓存在内存必须有合适的清理机制，否则让两个买了同一张票就麻烦了，但如果不缓存，大量用户同时抢票，服务器也应对不过来。因此在运行时变化的数据缓存，应该有一些特别的缓存清理策略。
在实际运行业务中，运行变化的数据往往是根据使用用户的增多而增多的，因此首先要考虑的问题，就是缓存空间不够的可能性。我们不太可能把全部数据都放到缓存的空间里，也不可能清理缓存的时候就全部数据一起清理，所以我们一般要对数据进行分割，这种分割的策略常见的有两种：一种是按重要级来分割，一种是按使用部分分割。
先举例说说“按重要级分割”，在网络游戏中，同样是角色的数据，有些数据的变化可能会每次修改都立刻回写到数据库（清理写缓存），其他一些数据的变化会延迟一段时间，甚至有些数据直到角色退出游戏才回写，如玩家的等级变化（升级了），武器装备的获得和消耗，这些玩家非常看重的数据，基本上会立刻回写，这些就是所谓最重要的缓存数据。而玩家的经验值变化、当前HP、MP的变化，就会延迟一段时间才写，因为就算丢失了缓存，玩家也不会太过关注。最后有些比如玩家在房间（地区）里的X/Y坐标，对话聊天的记录，可能会退出时回写，甚至不回写。这个例子说的是“写缓存”的清理，下面说说“读缓存”的按重要级分割清理。
假如我们写一个网店系统，里面容纳了很多产品，这些产品有一些会被用户频繁检索到，比较热销，而另外一些商品则没那么热销。热销的商品的余额、销量、评价都会比较频繁的变化，而滞销的商品则变化很少。所以我们在设计的时候，就应该按照不同商品的访问频繁程度，来决定缓存哪些商品的数据。我们在设计缓存的结构时，就应该构建一个可以统计缓存读写次数的指标，如果有些数据的读写频率过低，或者空闲（没有人读、写缓存）时间超长，缓存应该主动清理掉这些数据，以便其他新的数据能进入缓存。这种策略也叫做“冷热交换”策略。实现“冷热交换”的策略时，关键是要定义一个合理的冷热统计算法。一些固定的指标和算法，往往并不能很好的应对不同硬件、不同网络情况下的变化，所以现在人们普遍会用一些动态的算法，如Redis就采用了5种，他们是：
根据过期时间，清理最长时间没用过的
根据过期时间，清理即将过期的
根据过期时间，任意清理一个
无论是否过期，随机清理
无论是否过期，根据LRU原则清理：所谓LRU，就是Least Recently Used，最近最久未使用过。这个原则的思想是：如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来他被访问的可能性也很小。LRU是在操作系统中很常见的一种原则，比如内存的页面置换算法（也包括FIFO,LFU等），对于LRU的实现，还是非常有技巧的，但是本文就不详细去说明如何实现，留待大家上网搜索“LRU”关键字学习。
数据缓存的清理策略其实远不止上面所说的这些，要用好缓存这个武器，就要仔细研究需要缓存的数据特征，他们的读写分布，数据之中的差别。然后最大化的利用业务领域的知识，来设计最合理的缓存清理策略。这个世界上不存在万能的优化缓存清理策略，只存在针对业务领域最优化的策略，这需要我们程序员深入理解业务领域，去发现数据背后的规律。
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