第二十三章 旁路缓存：Redis是如何工作的 ?
缓存的特征
- 一个系统中的不同层之间的访问速度不一样，所以我们才需要缓存。
- 以计算机系统为例：
- 可以看到，CPU、内存和磁盘这三层的访问速度从几十 ns 到 100ns，再到几 ms，性能的差异很大。
在计算机系统中，默认有两种缓存：
- CPU 里面的末级缓存，即
LLC，用来缓存内存中的数据，避免每次从内存中存取数据； - 内存中的高速页缓存，即
page cache，用来缓存磁盘中的数据，避免每次从磁盘中存取数据。
- 缓存的第一个特征：在一个层次化的系统中，缓存一定是一个快速子系统，数据存在缓存中时，能避免每次从慢速子系统中存取数据。
- 对应到互联网应用来说，Redis 就是快速子系统，而数据库就是慢速子系统了。
- 缓存的第二个特征：缓存系统的容量大小总是小于后端慢速系统的，我们不可能把所有数据都放在缓存系统中。
Redis 缓存处理请求的两种情况
把 Redis 用作缓存时，我们会把 Redis 部署在数据库的前端，业务应用在访问数据时，会先查询 Redis 中是否保存了相应的数据。此时，根据数据是否存在缓存中，会有两种情况：
- 缓存命中：Redis 中有相应数据，就直接读取 Redis，性能非常快。
- 缓存缺失：Redis 中没有保存相应数据，就从后端数据库中读取数据，性能就会变慢。
- 而且，一旦发生缓存缺失，为了让后续请求能从缓存中读取到数据，我们需要把缺失的数据写入 Redis，这个过程叫作缓存更新。
使用 Redis 缓存时，有三个基本操作：
- 应用读取数据时，需要先读取 Redis；
- 发生缓存缺失时，需要从数据库读取数据；
- 发生缓存缺失时，还需要更新缓存。
Redis 作为旁路缓存的使用操作
什么叫 旁路缓存 ?
我们把 Redis 称为旁路缓存，也就是说，读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都需要在应用程序中来完成。
使用 Redis 缓存时，具体是怎么操作的 ?
- 当应用程序需要读取数据时，我们需要在代码中显式调用 Redis 的 GET 操作接口，进行查询；
- 如果缓存缺失了，应用程序需要再和数据库连接，从数据库中读取数据；
- 当缓存中的数据需要更新时，我们也需要在应用程序中显式地调用 SET 操作接口，把更新的数据写入缓存。
缓存的类型
按照 Redis 缓存是否接受写请求，我们可以把它分成只读缓存和读写缓存。
只读缓存
- 当 Redis 用作只读缓存时，删和改操作，应该要将旧缓存删除，等待下一次插入。
- 而所有的数据写请求，都会直接发往后端的数据库，在数据库中增删改。
具体操作流程
- 假设业务应用要修改数据 A，此时，数据 A 在 Redis 中也缓存了，那么，应用会先直接在数据库里修改 A，并把 Redis 中的 A 删除。
- 等到应用需要读取数据 A 时，会发生缓存缺失，此时，应用从数据库中读取 A，并写入 Redis，以便后续请求从缓存中直接读取，如下图所示：
只读缓存的优点
- 所有最新的数据都在数据库中，而数据库是提供数据可靠性保障的，这些数据不会有丢失的风险。
- 当我们需要缓存图片、短视频这些用户只读的数据时，就可以使用只读缓存这个类型了。
读写缓存
- 当 Redis 用作读写缓存时，所有的增删改查操作都是通过缓存这一层。
- 得益于 Redis 的高性能访问特性，处理结果会快速返回给业务应用，可以提升业务应用的响应速度。
- 读写缓存的最新数据都在 Redis 中，因为 Redis 是内存数据库，所以存在数据丢失的风险。
- 根据业务应用对
数据可靠性和缓存性能的不同要求，我们会有同步直写和异步写回两种策略。其中，同步直写策略优先保证数据可靠性，而异步写回策略优先提供快速响应。
同步直写策略
- 同步直写是指，写请求发给缓存的同时，也会发给后端数据库进行处理，等到缓存和数据库都写完数据，才给客户端返回。
- 这样，即使缓存宕机或发生故障，最新的数据仍然保存在数据库中，这就提供了数据可靠性保证。
- 不过，同步直写会降低缓存的访问性能。
- 这是因为缓存中处理写请求的速度是很快的，而数据库处理写请求的速度较慢。
- 即使缓存很快地处理了写请求，也需要等待数据库处理完所有的写请求，才能给应用返回结果，这就增加了缓存的响应延迟。
异步写回策略
- 而异步写回策略，则是优先考虑了响应延迟。
- 此时，所有写请求都先在缓存中处理。等到这些增改的数据要从缓存中淘汰出来时，缓存才将它们写回后端数据库。
- 这样一来，处理这些数据的操作是在缓存中进行的，很快就能完成。只不过，如果发生了掉电，而它们还没有被写回数据库，就会有丢失的风险了。
如何选择只读缓存还是读写缓存 ?
- 如果需要对写请求进行加速，我们选择读写缓存；
- 如果写请求很少，或者是只需要提升读请求的响应速度的话，我们选择只读缓存。
