Web系統(tǒng)的緩存機(jī)制的建立和優(yōu)化

Web系統(tǒng)的緩存機(jī)制的建立和優(yōu)化

剛剛我們講完了Web系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，現(xiàn)在我們開始關(guān)注我們Web系統(tǒng)自身的性能問題。我們的Web站點(diǎn)隨著訪問量的上升，會遇到很多的挑戰(zhàn)，解決這些問題不僅僅是擴(kuò)容機(jī)器這么簡單，建立和使用合適的緩存機(jī)制才是根本。

最開始，我們的Web系統(tǒng)架構(gòu)可能是這樣的，每個環(huán)節(jié)，都可能只有1臺機(jī)器。?

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我們從最根本的數(shù)據(jù)存儲開始看哈。

一、 MySQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)部緩存使用

MySQL的緩存機(jī)制，就從先從MySQL內(nèi)部開始，下面的內(nèi)容將以最常見的InnoDB存儲引擎為主。

1. 建立恰當(dāng)?shù)乃饕?/p>

最簡單的是建立索引，索引在表數(shù)據(jù)比較大的時候，起到快速檢索數(shù)據(jù)的作用，但是成本也是有的。首先，占用了一定的磁盤空間，其中組合索引最突出，使用需要謹(jǐn)慎，它產(chǎn)生的索引甚至?xí)仍磾?shù)據(jù)更大。其次，建立索引之后的數(shù)據(jù)insert/update/delete等操作，因為需要更新原來的索引，耗時會增加。當(dāng)然，實(shí)際上我們的系統(tǒng)從總體來說，是以select查詢操作居多，因此，索引的使用仍然對系統(tǒng)性能有大幅提升的作用。

2. 數(shù)據(jù)庫連接線程池緩存

如果，每一個數(shù)據(jù)庫操作請求都需要創(chuàng)建和銷毀連接的話，對數(shù)據(jù)庫來說，無疑也是一種巨大的開銷。為了減少這類型的開銷，可以在MySQL中配置thread_cache_size來表示保留多少線程用于復(fù)用。線程不夠的時候，再創(chuàng)建，空閑過多的時候，則銷毀。?

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其實(shí)，還有更為激進(jìn)一點(diǎn)的做法，使用pconnect（數(shù)據(jù)庫長連接），線程一旦創(chuàng)建在很長時間內(nèi)都保持著。但是，在訪問量比較大，機(jī)器比較多的情況下，這種用法很可能會導(dǎo)致“數(shù)據(jù)庫連接數(shù)耗盡”，因為建立連接并不回收，最終達(dá)到數(shù)據(jù)庫的max_connections（最大連接數(shù)）。因此，長連接的用法通常需要在CGI和MySQL之間實(shí)現(xiàn)一個“連接池”服務(wù)，控制CGI機(jī)器“盲目”創(chuàng)建連接數(shù)。?

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建立數(shù)據(jù)庫連接池服務(wù)，有很多實(shí)現(xiàn)的方式，PHP的話，我推薦使用swoole（PHP的一個網(wǎng)絡(luò)通訊拓展）來實(shí)現(xiàn)。

3. Innodb緩存設(shè)置（innodb_buffer_pool_size）

innodb_buffer_pool_size這是個用來保存索引和數(shù)據(jù)的內(nèi)存緩存區(qū)，如果機(jī)器是MySQL獨(dú)占的機(jī)器，一般推薦為機(jī)器物理內(nèi)存的80%。在取表數(shù)據(jù)的場景中，它可以減少磁盤IO。一般來說，這個值設(shè)置越大，cache命中率會越高。

4. 分庫/分表/分區(qū)。

MySQL數(shù)據(jù)庫表一般承受數(shù)據(jù)量在百萬級別，再往上增長，各項性能將會出現(xiàn)大幅度下降，因此，當(dāng)我們預(yù)見數(shù)據(jù)量會超過這個量級的時候，建議進(jìn)行分庫/分表/分區(qū)等操作。最好的做法，是服務(wù)在搭建之初就設(shè)計為分庫分表的存儲模式，從根本上杜絕中后期的風(fēng)險。不過，會犧牲一些便利性，例如列表式的查詢，同時，也增加了維護(hù)的復(fù)雜度。不過，到了數(shù)據(jù)量千萬級別或者以上的時候，我們會發(fā)現(xiàn)，它們都是值得的。?

二、 MySQL數(shù)據(jù)庫多臺服務(wù)搭建

1臺MySQL機(jī)器，實(shí)際上是高風(fēng)險的單點(diǎn)，因為如果它掛了，我們Web服務(wù)就不可用了。而且，隨著Web系統(tǒng)訪問量繼續(xù)增加，終于有一天，我們發(fā)現(xiàn)1臺MySQL服務(wù)器無法支撐下去，我們開始需要使用更多的MySQL機(jī)器。當(dāng)引入多臺MySQL機(jī)器的時候，很多新的問題又將產(chǎn)生。

1. 建立MySQL主從，從庫作為備份

這種做法純粹為了解決“單點(diǎn)故障”的問題，在主庫出故障的時候，切換到從庫。不過，這種做法實(shí)際上有點(diǎn)浪費(fèi)資源，因為從庫實(shí)際上被閑著了。

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不過，這種方案，只能用在兩臺機(jī)器的場景。如果業(yè)務(wù)拓展還是很快的話，可以選擇將業(yè)務(wù)分離，建立多個主主互備。

三、 MySQL數(shù)據(jù)庫機(jī)器之間的數(shù)據(jù)同步

每當(dāng)我們解決一個問題，新的問題必然誕生在舊的解決方案上。當(dāng)我們有多臺MySQL，在業(yè)務(wù)高峰期，很可能出現(xiàn)兩個庫之間的數(shù)據(jù)有延遲的場景。并且，網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器負(fù)載等，也會影響數(shù)據(jù)同步的延遲。我們曾經(jīng)遇到過，在日訪問量接近1億的特殊場景下，出現(xiàn)，從庫數(shù)據(jù)需要很多天才能同步追上主庫的數(shù)據(jù)。這種場景下，從庫基本失去效用了。

于是，解決同步問題，就是我們下一步需要關(guān)注的點(diǎn)。

1. MySQL自帶多線程同步

MySQL5.6開始支持主庫和從庫數(shù)據(jù)同步，走多線程。但是，限制也是比較明顯的，只能以庫為單位。MySQL數(shù)據(jù)同步是通過binlog日志，主庫寫入到binlog日志的操作，是具有順序的，尤其當(dāng)SQL操作中含有對于表結(jié)構(gòu)的修改等操作，對于后續(xù)的SQL語句操作是有影響的。因此，從庫同步數(shù)據(jù)，必須走單進(jìn)程。

2. 自己實(shí)現(xiàn)解析binlog，多線程寫入。

以數(shù)據(jù)庫的表為單位，解析binlog多張表同時做數(shù)據(jù)同步。這樣做的話，的確能夠加快數(shù)據(jù)同步的效率，但是，如果表和表之間存在結(jié)構(gòu)關(guān)系或者數(shù)據(jù)依賴的話，則同樣存在寫入順序的問題。這種方式，可用于一些比較穩(wěn)定并且相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)表。?

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國內(nèi)一線互聯(lián)網(wǎng)公司，大部分都是通過這種方式，來加快數(shù)據(jù)同步效率。還有更為激進(jìn)的做法，是直接解析binlog，忽略以表為單位，直接寫入。但是這種做法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，使用范圍就更受到限制，只能用于一些場景特殊的數(shù)據(jù)庫中（沒有表結(jié)構(gòu)變更，表和表之間沒有數(shù)據(jù)依賴等特殊表）。?

四、 在Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫之間建立緩存

實(shí)際上，解決大訪問量的問題，不能僅僅著眼于數(shù)據(jù)庫層面。根據(jù)“二八定律”，80%的請求只關(guān)注在20%的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)上。因此，我們應(yīng)該建立Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫之間的緩存機(jī)制。這種機(jī)制，可以用磁盤作為緩存，也可以用內(nèi)存緩存的方式。通過它們，將大部分的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢，阻擋在數(shù)據(jù)庫之前。?

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對于使用緩存服務(wù)的客戶端來說，這一切是透明的。

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內(nèi)存緩存服務(wù)在切換的時候，是有一定風(fēng)險的。從A集群切換到B集群的過程中，必須保證B集群提前做好“預(yù)熱”（B集群的內(nèi)存中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)該盡量與A集群相同，否則，切換的一瞬間大量請求內(nèi)容，在B集群的內(nèi)存緩存中查找不到，流量直接沖擊后端的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，很可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫宕機(jī)）。

4. 減少數(shù)據(jù)庫“寫”

上面的機(jī)制，都實(shí)現(xiàn)減少數(shù)據(jù)庫的“讀”的操作，但是，寫的操作也是一個大的壓力。寫的操作，雖然無法減少，但是可以通過合并請求，來起到減輕壓力的效果。這個時候，我們就需要在內(nèi)存緩存集群和數(shù)據(jù)庫集群之間，建立一個修改同步機(jī)制。

先將修改請求生效在cache中，讓外界查詢顯示正常，然后將這些sql修改放入到一個隊列中存儲起來，隊列滿或者每隔一段時間，合并為一個請求到數(shù)據(jù)庫中更新數(shù)據(jù)庫。?

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除了上述通過改變系統(tǒng)架構(gòu)的方式提升寫的性能外，MySQL本身也可以通過配置參數(shù)innodb_flush_log_at_trx_commit來調(diào)整寫入磁盤的策略。如果機(jī)器成本允許，從硬件層面解決問題，可以選擇老一點(diǎn)的RAID（Redundant Arrays of independent Disks，磁盤列陣）或者比較新的SSD（Solid State Drives，固態(tài)硬盤）。

5. NoSQL存儲

不管數(shù)據(jù)庫的讀還是寫，當(dāng)流量再進(jìn)一步上漲，終會達(dá)到“人力有窮時”的場景。繼續(xù)加機(jī)器的成本比較高，并且不一定可以真正解決問題的時候。這個時候，部分核心數(shù)據(jù)，就可以考慮使用NoSQL的數(shù)據(jù)庫。NoSQL存儲，大部分都是采用key-value的方式，這里比較推薦使用上面介紹過Redis，Redis本身是一個內(nèi)存cache，同時也可以當(dāng)做一個存儲來使用，讓它直接將數(shù)據(jù)落地到磁盤。

這樣的話，我們就將數(shù)據(jù)庫中某些被頻繁讀寫的數(shù)據(jù)，分離出來，放在我們新搭建的Redis存儲集群中，又進(jìn)一步減輕原來MySQL數(shù)據(jù)庫的壓力，同時因為Redis本身是個內(nèi)存級別的Cache，讀寫的性能都會大幅度提升。?

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國內(nèi)一線互聯(lián)網(wǎng)公司，架構(gòu)上采用的解決方案很多是類似于上述方案，不過，使用的cache服務(wù)卻不一定是Redis，他們會有更豐富的其他選擇，甚至根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)開發(fā)出自己的NoSQL服務(wù)。

6. 空節(jié)點(diǎn)查詢問題

當(dāng)我們搭建完前面所說的全部服務(wù)，認(rèn)為Web系統(tǒng)已經(jīng)很強(qiáng)的時候。我們還是那句話，新的問題還是會來的?？展?jié)點(diǎn)查詢，是指那些數(shù)據(jù)庫中根本不存在的數(shù)據(jù)請求。例如，我請求查詢一個不存在人員信息，系統(tǒng)會從各級緩存逐級查找，最后查到到數(shù)據(jù)庫本身，然后才得出查找不到的結(jié)論，返回給前端。因為各級cache對它無效，這個請求是非常消耗系統(tǒng)資源的，而如果大量的空節(jié)點(diǎn)查詢，是可以沖擊到系統(tǒng)服務(wù)的。

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在我曾經(jīng)的工作經(jīng)歷中，曾深受其害。因此，為了維護(hù)Web系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計適當(dāng)?shù)目展?jié)點(diǎn)過濾機(jī)制，非常有必要。

我們當(dāng)時采用的方式，就是設(shè)計一張簡單的記錄映射表。將存在的記錄存儲起來，放入到一臺內(nèi)存cache中，這樣的話，如果還有空節(jié)點(diǎn)查詢，則在緩存這一層就被阻擋了。?

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