高性能缓存系统缓存系统设计精要

导读在计算机领域，缓存在程序设计过程中扮演着重要角色。浏览器的资源缓存策略是影响web网站性能的一个关键因素；Mysql的BufferPool极大的提高了数据库....

在计算机领域，缓存在程序设计过程中扮演着重要角色。浏览器的资源缓存策略是影响web网站性能的一个关键因素；Mysql的Buffer Pool极大的提高了数据库的查询效率；Redis作为被广泛应用的缓存数据库，提供了丰富的数据结构和缓存策略来满足开发者的需求。缓存在现代计算机系统中无处不在，是一个非常深入、广泛的话题，本文的目的是从众多已有的系统设计中，提取出有关系统缓存设计的精要，主要从三个方面展开：

• 多级缓存
• 缓存淘汰策略
• 缓存安全

在讨论这些话题的同时，笔者会结合很多实际的例子阐述，其中会涉及到PHP源码、redis源码、浏览器的缓存策略、mysql数据存储设计、缓存淘汰算法等偏底层的内容，如果你是一个比较资深的开发工程师，对这些内容都比较了解，本文将非常适合您。为了照顾初学者，涉及到难懂重要的知识点笔者也将会尽可能的描述清楚。本文篇幅有点长，请读者做好心理预期！

1.多级缓存1.1 存储器层次结构

计算机使用不同的存储技术对数据进行访问，时间差异很大。速度较快的技术每个字节的成本要比速度较慢的技术高，而且容量较小。CPU和主存(内存)之间的速度差距在增大。基于这种特性，所有的现代计算机系统都使用了金字塔式的存储器层次结构。如下图所示：

从高层往低层走，存储设备变得更慢、更便宜、容量更大。最高层(L0)是少量快速的CPU寄存器，CPU可以在一个时钟周期内访问它们 (一个时钟周期通常小于1ns)；接下来是一个或多个中小型SRAM高速缓存存储器，可以在几个CPU时钟周期内访问它们；然后是一个大的基于DRAM的主存，可以在几十到几百个CPU时钟周期内访问它们；接下来是慢速但是容量很大的本地磁盘(通常是SSD)；最后有些系统甚至包括了一层附加的网络文件系统(Network File System,NFS)，比如说腾讯云提供的CFS服务就可以通过挂载到多个服务器实现分布式的数据共享。

下面我们从 CPU 的角度以具体的数据来量化对比CPU、磁盘、网络的速度，对计算机各个组件不同的速度差异有个更直观的认识。