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操作系统缓存与缓冲

news 来源：原创 2024/7/6 2:14:14

缓存与缓冲

缓冲区是一块临时存储数据的区域，这些数据后面会被传输到其他设备上。缓冲区更像消息队列，用以弥补高速设备和低速设备通信时的速度差，平衡读写速度。例如：IO中内核缓冲区Ring Buffer。

缓存：存在于速度相差较大的两种硬件之间，提高低速设备的访问速度，或者减少复杂耗时的计算带来的性能问题。缓存不一定在内存中，硬盘也可以！！比如从磁盘随机读取数据慢，从数据库查询数据慢。

缓存分类

常见的缓存主要就是静态缓存、分布式缓存和热点本地缓存这三种。

静态缓存：对静态数据做缓存。
分布式缓存：何针对动态请求做缓存，例如Redis。
热点本地缓存主要部署在应用服务器的代码中，用于阻挡热点查询对于分布式缓存节点或者数据库的压力。

缓存的读写/更新策略？

Cache Aside（旁路缓存）策略

在这里插入图片描述

读策略的步骤是：

从缓存中读取数据；
如果缓存命中，则直接返回数据；
如果缓存不命中，则从数据库中查询数据；
查询到数据后，将数据写入到缓存中，并且返回给用户。

写策略的步骤是：

更新数据库中的记录；
删除缓存记录。

采取删除缓存的策略，不采用更新缓存的策略；以及先删除缓存再更新数据库都会产生数据不一致的问题。

Cache Aside 存在的最大的问题是当写入比较频繁时，缓存中的数据会被频繁地清理，这样会对缓存的命中率有一些影响。如果你的业务对缓存命中率有严格的要求，那么可以考虑两种解决方案：

一种做法是在更新数据时也更新缓存，只是在更新缓存前先加一个分布式锁，因为这样在同一时间只允许一个线程更新缓存，就不会产生并发问题了。当然这么做对于写入的性能会有一些影响；
另一种做法同样也是在更新数据时更新缓存，只是给缓存加一个较短的过期时间，这样即使出现缓存不一致的情况，缓存的数据也会很快地过期，对业务的影响也是可以接受。

应用：

如果我们的业务对缓存命中率有很高的要求，可以采用「更新数据库 + 更新缓存」的方案，因为更新缓存并不会出现缓存未命中的情况。

但是在两个更新请求并发执行的时候，会出现数据不一致的问题。

解决办法：

在更新缓存前先加个分布式锁，保证同一时间只运行一个请求更新缓存，就会不会产生并发问题了，当然引入了锁后，对于写入的性能就会带来影响。
在更新完缓存时，给缓存加上较短的过期时间，这样即时出现缓存不一致的情况，缓存的数据也会很快过期，对业务还是能接受的。

redis延迟双删是什么？

针对「先删除缓存，再更新数据库」方案在「读 + 写」并发请求而造成缓存不一致的解决办法是「延迟双删」。

#删除缓存
redis.delKey(X)
#更新数据库
db.update(X)
#睡眠
Thread.sleep(N)
#再删除缓存
redis.delKey(X)

怎么保证「先更新数据库，再删除缓存」这两个操作能执行成功？

重试机制。
- 引入消息队列，将第二个操作（删除缓存）要操作的数据加入到消息队列，由消费者来操作数据。
  - 如果应用删除缓存失败，可以从消息队列中重新读取数据，然后再次删除缓存，这个就是重试机制。当然，如果重试超过的一定次数，还是没有成功，我们就需要向业务层发送报错信息了。
  - 如果删除缓存成功，就要把数据从消息队列中移除，避免重复操作，否则就继续重试。
订阅 MySQL binlog，再操作缓存。
- 「先更新数据库，再删缓存」的策略的第一步是更新数据库，那么更新数据库成功，就会产生一条变更日志，记录在 binlog 里。
- 可以通过订阅 binlog 日志，拿到具体要操作的数据，然后再执行缓存删除，阿里巴巴开源的 Canal 中间件就是基于这个实现的。
  - Canal 模拟 MySQL 主从复制的交互协议，把自己伪装成一个 MySQL 的从节点，向 MySQL 主节点发送 dump 请求，MySQL 收到请求后，就会开始推送 Binlog 给 Canal，Canal 解析 Binlog 字节流之后，转换为便于读取的结构化数据，供下游程序订阅使用。

Read/Write Through（读穿 / 写穿）策略

Write Through 的策略是这样的：先查询要写入的数据在缓存中是否已经存在，如果已经存在，则更新缓存中的数据，并且由缓存组件同步更新到数据库中，如果缓存中数据不存在，我们把这种情况叫做“Write Miss（写失效）”。不写入缓存中，而是直接更新到数据库中。

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Write Back（写回）策略

写回的应用：操作系统层面的 Page Cache，Mysql日志的异步刷盘，亦或是消息队列中消息的异步写入磁盘，大多采用了这种策略。

缺点：因为缓存一般使用内存，而内存是非持久化的，所以一旦缓存机器掉电，就会造成原本缓存中的脏块儿数据丢失。所以你会发现系统在掉电之后，之前写入的文件会有部分丢失，就是因为 Page Cache 还没有来得及刷盘造成的。

主要区别：对于脏数据的落盘发生在命中或者挑选cache块。
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应用

mysql中redo log binlog 的刷盘：凡是跟Page Cache打交道的操作

redo log的刷盘时机
- MySQL 正常关闭时；
- 当 redo log buffer 中记录的写入量大于 redo log buffer 内存空间的一半时，会触发落盘；
- InnoDB 的后台线程每隔 1 秒，将 redo log buffer 持久化到磁盘。
- 每次事务提交时都将缓存在 redo log buffer 里的 redo log 直接持久化到磁盘
innodb_flush_log_at_trx_commit 参数：
- 当设置该参数为 0 时，表示每次事务提交时，还是将 redo log 留在 redo log buffer 中，该模式下在事务提交时不会主动触发写入磁盘的操作。
  
  操作系统把缓存在 redo log buffer 中的 redo log ，通过调用 write() 写到操作系统的 Page Cache，然后调用 fsync() 持久化到磁盘。所以参数为 0 的策略，MySQL 进程的崩溃会导致上一秒钟所有事务数据的丢失;
- 当设置该参数为 1 时，表示每次事务提交时，都将缓存在 redo log buffer 里的 redo log 直接持久化到磁盘，这样可以保证 MySQL 异常重启之后数据不会丢失。
- 当设置该参数为 2 时，表示每次事务提交时，都只是缓存在 redo log buffer 里的 redo log 写到 redo log 文件，注意写入到「 redo log 文件」并不意味着写入到了磁盘，因为操作系统的文件系统中有个 Page Cache，Page Cache 是专门用来缓存文件数据的，所以写入「 redo log文件」意味着写入到了操作系统的文件缓存。
  
  调用 fsync，将缓存在操作系统中 Page Cache 里的 redo log 持久化到磁盘。所以参数为 2 的策略，较取值为 0 情况下更安全，因为 MySQL 进程的崩溃并不会丢失数据，只有在操作系统崩溃或者系统断电的情况下，上一秒钟所有事务数据才可能丢失。
binlog cache的刷盘时机？
- sync_binlog = 0 的时候，表示每次提交事务都只 write，不 fsync，后续交由操作系统决定何时将数据持久化到磁盘；
- sync_binlog = 1 的时候，表示每次提交事务都会 write，然后马上执行 fsync；
- sync_binlog =N(N>1) 的时候，表示每次提交事务都 write，但累积 N 个事务后才 fsync。

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redo log buffer 和 binlog cache都和page cache打交道，所以缓存都是写回策略。

redis 持久化刷盘

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如果想要应用程序向文件写入数据后，能立马将数据同步到硬盘，就可以调用 fsync() 函数，这样内核就会将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘，等到硬盘写操作完成后，该函数才会返回。

Always 策略就是每次写入 AOF 文件数据后，就执行 fsync() 函数；
Everysec 策略就会创建一个异步任务来执行 fsync() 函数；
No 策略就是永不执行 fsync() 函数

其实也是page cache。

kafka中数据持久化用到了page cache页缓存，同时实现了顺序读写

kafka持久化所用到的零拷贝+页缓存：

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零拷贝：Kafka的数据加工处理操作交由Kafka生产者和Kafka消费者处理。Kafka Broker应用层不关心存储的数据，所以就不用走应用层，传输效率高。
PageCache：Kafka重度依赖底层操作系统提供的PageCache功能。当上层有写操作时，操作系统只是将数据写入PageCache。当读操作发生时，先从PageCache中查找，如果找不到，再去磁盘中读取。实际上PageCache是把尽可能多的空闲内存都当做了磁盘缓存来使用。

参考：
小林coding
极客时间操作系统40讲