Cache là gì?
Trong máy tính, cache là lớp lưu trữ dữ liệu tốc độ cao để lưu trữ một phần dữ liệu mang tính chất tạm thời, giúp các truy vấn trong tương lai được phục vụ tốt hơn, nhanh hơn mà không cần phải truy cập vào vị trí lưu trữ chính. Việc sử dụng caching cho phép chúng ta sử dụng lại dữ liệu một cách hiệu quả, mà không phải tiêu tốn nhiều tài nguyên máy tính.
Cache hoạt động thế nào?
Dữ liệu trong cache cụ thể được lưu trữ trong phần cứng, có khả năng truy cập nhanh như RAM (Random Access Memory) và được dùng trong giao tiếp với phần mềm. Mục đích chính của bộ nhớ cache là để tăng hiệu suất truy xuất dữ liệu bằng việc giảm nhu cầu truy cập đến lớp lưu trữ thấp hơn.
Tổng quan cache
RAM và bộ nhớ trong: Do tần suất truy vấn hoặc IOPS (Input/Output operations per second) cao được hỗ trợ bởi RAM và engine của bộ nhớ trong, caching dẫn đến kết quả hiệu suất truy suất được cải thiện và giảm chi phí mở rộng. Để hỗ trợ quy mô tương tự, đối với cơ sở dữ liệu truyền thống và phần cứng dựa trên disk, ta sẽ phải cần thêm nhiều tài nguyên. Với các tài nguyên bổ sung này làm tăng chi phí và vẫn không đạt được hiệu suất với độ trễ thấp được cung cấp bởi cache bộ nhớ trong.
Applications: Cache có thể được áp dụng và tận dụng trong nhiều lớp công nghệ khác nhau bao gồm hệ điều hành (OS), lớp network bao gồm Content Delivery Network (CDN) và DNS, các ứng dụng web và databases. Bạn có thể sử dụng cache để giảm thiểu đáng kể độ trễ và cải thiện IOPS cho nhiều khối lượng công việc nặng về phần ứng dụng. Thông tin được cached có thể bao gồm kết quả truy vấn database, tính toán dữ liệu, request/response và các file dữ liệu website như HTML, Javascript, và file hình ảnh. Trong các ứng dụng này, rất nhiều tập dữ liệu lớn phải được truy cập theo thời gian thực trên các cụm máy mà có thể được trải rộng trên hàng trăm các node khác nhau. Do tốc độ của phần cứng bên dưới thấp, việc thao tác dữ liệu trên disk sẽ gây ra tình trạng nút thắt cổ chai (bottleneck) đối với những ứng dụng này.
Design Pattern: Trong môi trường điện toán phân tán, một lớp caching chuyên dụng cho phép hệ thống và ứng dụng chạy độc lập với cache với chu kỳ sống (lifecircle) riêng của chúng mà không ảnh hưởng đến cache. Cache đóng vai trò là lớp trung tâm có thể được truy cập từ các hệ thống khác nhau với kiến trúc liên kết và chu kỳ sống riêng. Điều này đặc biệt có liên quan trong một hệ thống mà một ứng dụng có thể được mở rông ra hoặc thu nhỏ lại. Nếu cache nằm trên cùng node với ứng dụng hoặc hệ thống sử dụng nó, việc mở rộng có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cache. Nói chung, khi cache local được dùng, chúng chỉ có lợi cho các ứng dụng sử dụng dữ liệu. Trong môi trường cache phân tán, dữ liệu có thể trải rộng trên nhiều máy chủ cache và được lưu trữ tại một vị trí trung tâm vì lợi ích của tất cả người dùng sử dụng dữ liệu đó.
Lợi ích khi sử dụng cache
Cải thiện hiệu suất ứng dụng
Bởi vì memory (RAM) có khả năng truy suất dữ liệu nhanh hơn disk (HDD hoặc SSD), nên việc đọc dữ liệu từ cache bộ nhớ trong (in-memory cache) cực kỳ nhanh (dưới 1 ms ). Do đó việc truy suất dữ liệu nhanh hơn đáng kể, giúp cải thiện toàn bộ hiệu suất ứng dụng.
Giảm chi phí database (Reduce Database Cost)
Cache có thể cung cấp hàng trăm ngàn IOPS (Input/output operations per second), có khả năng thay thế cho database trong một số trường hợp, do đó giảm số lượng truy suất database liên tục. Điều này cực kỳ hữu ích trong trường hợp database thay đổi dữ liệu liên tục. Trong những trường hợp đó, chúng ta có thể giảm tải cho máy chủ database cực kỳ hiệu quả.
Giảm tải cho backend
Bằng việc chuyển hướng các thành phần quan trọng trong quá trình tải dữ liệu từ database lên memory, caching có thể giảm tải trên database, và hiệu suất không bị chậm đi trong quá trình tải dữ liệu từ database hoặc thậm chí bị sập vào thời điểm lượng truy suất tăng đột biến.
Tăng IOPS
Bên cạnh độ trễ thấp, hệ thống bộ nhớ trong còn cung cấp tỷ lệ truy suất (IOPS) cao hơn nhiều so với cơ sở dữ liệu nằm trên disk. Ta có thể sử dụng cache để phục vụ cho hàng trăm ngàn truy vấn mỗi giây.
Xem thêm: Cách tạo cache trên Ram Disk với tmpfs
Một số ứng dụng của cache trong thực tế
- Database Caching
- Content Delivery Network (CDN)
- DNS Caching
- Session Management
- Web Caching
