Яке рішення для кешування вибрати і чому

Кешування для прискорення роботи застосунків: Redis чи Memcached?

Для забезпечення швидкої роботи програмних продуктів використовуються рішення з кешування. Серед них, Redis і Memcached є одними з найпопулярніших.

Як визначити, який варіант є оптимальним? Цей огляд допоможе вам розібратися в їхніх можливостях та зробити виважений вибір.

Розуміння принципів кешування є необхідним для прискорення роботи застосунків, зниження навантаження на бази даних та забезпечення можливості плавного масштабування системи.

Хоча обидва рішення, Redis та Memcached, використовуються для кешування, вони мають свої відмінності. З одного боку, вони забезпечують затримки в субмілісекундах і високу пропускну здатність. З іншого боку, відрізняються підтримкою структур даних та способами зберігання інформації.

Перш ніж перейти до порівняння Redis та Memcached, давайте розглянемо, що таке кешування.

Що таке кешування і чому воно потрібне?

Будь-яка операція, що виконується в програмі, використовує системні ресурси. Це може бути обробка даних, що інтенсивно навантажує процесор, або мережеві операції, такі як читання з файлів чи баз даних.

Якщо одне і те ж ресурсоємне завдання виконується неодноразово, продуктивність системи знижується. Розглянемо ситуацію, коли потрібно отримати дані з бази даних складним запитом. Це потребує не тільки часу на обробку, а й значних ресурсів бази даних.

Уявіть, що результат запиту не змінюється між послідовними зверненнями. Проте, ви кожного разу запускаєте той самий ресурсоємний запит. Чи є альтернатива? Так, це кешування.

Кешування – це збереження часто використовуваних даних у високошвидкісній пам’яті. Це дозволяє швидко отримувати їх при повторному запиті. Таким чином, відпадає потреба у повторному виконанні ресурсоємних операцій, таких як запити до бази даних або складні обчислення. Це підвищує продуктивність, ефективність та швидкість реагування системи.

Кешування надає наступні переваги:

  • Зменшення затримок
  • Прискорення завантаження та реагування веб-сайтів і програм
  • Зниження непотрібного використання ресурсів
  • Зменшення навантаження на сервери
  • Захист бази даних від частих запитів

Redis: короткий огляд

Redis – це відкрите сховище даних, що працює в пам’яті. Дані зберігаються у форматі ключ-значення. Крім кешування, Redis можна використовувати як базу даних, брокер повідомлень або чергу.

Працюючи в пам’яті, Redis забезпечує затримки запитів менше мілісекунди. Отримання даних з пам’яті відбувається набагато швидше, ніж з диска. Це забезпечує високу пропускну здатність та можливість виконання великої кількості операцій читання та запису за секунду.

На відміну від Memcached, Redis підтримує широкий спектр структур даних. Дані можуть зберігатися у вигляді рядків (максимальний розмір 512 МБ), пар ключ-значення (хеші), списків, множин або відсортованих множин.

Існують клієнтські бібліотеки для основних мов програмування, таких як Java, Python, Go, NodeJs, C# та .Net. Також, при встановленні Redis ви отримуєте утиліту командного рядка redis-cli, за допомогою якої можна перевірити роботу сервера та надсилати команди для читання, запису або зміни даних.

Переваги Redis

  • Відкритий вихідний код і безкоштовне використання
  • Офіційні клієнти для багатьох мов програмування
  • Можливість використання як кеш, брокер повідомлень, база даних або черга
  • Дуже висока продуктивність із затримками до мілісекунди
  • Підтримка різних структур даних, таких як рядки, списки, множини та відсортовані множини
  • Висока доступність і масштабованість завдяки архітектурі основної репліки

Далі ми детальніше розглянемо Memcached.

Memcached: загальний огляд

Memcached – це безкоштовна система кешування об’єктів розподіленої пам’яті з відкритим кодом. Вона забезпечує дуже високу продуктивність. Memcached використовує сховище ключ-значення в пам’яті для невеликих фрагментів довільних даних. Давайте розглянемо її особливості.

Пам’ять комп’ютерної системи розподілена нерівномірно. Вільна пам’ять може знаходитися у різних блоках і різних розмірів. Memcached дозволяє використовувати доступну пам’ять з різних частин системи. Таким чином, ви можете використовувати пам’ять там, де її надлишок, для потреб, де вона необхідна.

Memcached, як просте сховище ключів і значень, не інтерпретує дані. Дані зберігаються у попередньо серіалізованому вигляді разом із ключем, терміном дії та, за потреби, прапорцями. Підтримка вбудованих структур даних відсутня.

На відміну від Redis, сервери Memcached не взаємодіють між собою. Немає синхронізації, реплікації чи трансляції даних. Таким чином, доступність кешу та визнання недійсними спрощуються. Клієнт безпосередньо видаляє або перезаписує дані на сервері, якому вони належать.

Завдяки простій архітектурі Memcached забезпечує дуже високу продуктивність. На швидкій машині з високошвидкісною мережею Memcached може легко обробляти понад 200 000 запитів за секунду.

Переваги Memcached

  • Швидкий пошук даних, оскільки використовується пам’ять
  • API для популярних мов програмування
  • Зниження потреби у повторному пошуку даних завдяки кешуванню
  • Кешування результатів бази даних, відповідей API або навіть веб-сторінок
  • Відновлення фрагментованої пам’яті
  • Використання кешування «Нещодавно використані», де термін дії елементів закінчується через визначений час
  • Можливість створення власних абстракцій

Далі порівняємо Redis та Memcached.

Redis проти Memcached: порівняльна таблиця

Особливості Redis Memcached
Структури даних Підтримує вбудовані структури даних, такі як рядки, списки, множини, відсортовані множини. Немає підтримки вбудованих структур даних. Зберігаються необроблені попередньо серіалізовані дані.
Розмір даних Можна зберігати значення розміром до 512 МБ Можна зберігати значення розміром до 1 МБ
Підтримка дискового сховища Внутрішня підтримка дискового зберігання за допомогою Redis Database File (RDB) або Append-Only Files (AOF) Немає вбудованої підтримки для запису на диск. Інструменти сторонніх виробників, наприклад libmemcached-інструменти доступні.
Threading Однопотоковий Багатопотоковий
Реплікація Має архітектуру основної репліки, яка дозволяє реплікацію Не підтримує реплікацію
Вигнання кешу Використовує політику найменш використаного для вилучення кешу. Інші політики можна налаштувати. Використовує політику «Нещодавно використані» для видалення кешу.
Мови програмування Підтримує основні мови програмування. Підтримує основні мови програмування.

Розглянемо приклади використання Redis та Memcached.

Варіанти використання Redis та Memcached

#1. Масштабне обслуговування електронної комерції: Shopify

Shopify – це платформа для електронної комерції, яка дозволяє створювати онлайн-магазини. В пікові моменти Shopify обробляє 80 тисяч запитів за секунду, обслуговуючи 600 тисяч продавців. Обробка такого трафіку з мінімальними затримками є складним завданням.

Для вирішення цієї проблеми Shopify використовує Memcached та Redis. Основна архітектура Shopify включає MySQL для бази даних, Memcached як сховище ключ-значення і Redis для черги. Часто обидва рішення використовуються в архітектурі програми.

Платформи електронної комерції містять багато статичних даних, які не часто змінюються (зображення товарів, описи, інформація про магазин). Зберігання цих даних у сховищі ключ-значення прискорює роботу системи.

Memcached для обслуговування статичного вмісту зменшує навантаження на сервери та бази даних.

#2. Кешування даних розподіленої програми: Pinterest

Pinterest – це платформа, де користувачі шукають натхнення. За кожен запит обробляється велика кількість обчислень. Це включає в себе перегляд шпильок і рекомендацій.

Для захисту серверних служб та уникнення повторних обчислень, Pinterest використовує розподілений кеш. Тут зберігаються результати повторних обчислень. Таким чином, запити не доходять до ресурсоємних служб і баз даних. Кеш поглинає значну частину трафіку. Рівень кешу Pinterest охоплює тисячі машин і обробляє понад 150 мільйонів запитів за секунду.

Pinterest використовує Memcached і mcrouter як основу своєї системи кешування. Memcached є ефективним завдяки асинхронній природі, керованій подіями, та багатопотоковій обробці. Проста архітектура Memcached дозволяє створювати власні абстракції та горизонтально масштабувати систему.

#3. Керування безпекою даних у масштабі: CloudSponge

CloudSponge – це програмне забезпечення як послуга (SaaS), що дозволяє користувачам швидко надсилати запрошення, купони або вітальні листівки. CloudSponge обробляє близько 2 трильйонів електронних адрес на рік. Це створює виклик щодо безпеки даних.

CloudSponge використовує Redis не тільки як кеш, а й як сховище даних. Redis зберігає всі контактні дані в пам’яті на час, коли клієнти можуть їх отримати. Після цього дані видаляються. Дані не зберігаються на диску, хоча Redis надає таку опцію.

#4. Інші поширені способи використання рішень для кешування

Інші сфери використання кешування:

❇️ Системи обміну повідомленнями в чаті

Для систем обміну повідомленнями кешування є важливим компонентом. Можна зберігати дані, до яких часто звертаються (профілі користувачів, списки контактів, останні повідомлення). Це знижує навантаження на базу даних і підвищує швидкість реагування системи.

Кешування також корисне для функцій в режимі реального часу (індикатори введення тексту, сповіщення про присутність). Використання розподіленого кешу дозволяє масштабувати внутрішні сервери без збільшення кешів.

❇️ Служби визначення місцезнаходження

Служби визначення місцезнаходження (відстань, час прибуття, рекомендації поблизу) використовують кеш, налаштований на дані про місцезнаходження. Ці дані зберігаються у вигляді геопросторового індексу.

За допомогою геопросторового індексу можна зберігати місцезнаходження об’єктів у сховищі даних. Redis підтримує геопросторові індекси за замовчуванням. Обробка інформації про місцезнаходження з пам’яті забезпечує ефективний обмін даними в реальному часі.

❇️ Аналітика в реальному часі

Онлайн-ігри потребують аналітики в реальному часі (таблиці лідерів). Для фентезі-спорту можна зберігати статистику та інформацію про гравців на рівні кешу, щоб підвищити продуктивність застосунку.

Який варіант вибрати?

Redis – це універсальний варіант з підтримкою різних структур даних, що підходить для різних застосунків. Затримки запитів до мілісекунди, висока пропускна здатність і підтримка клієнтських бібліотек роблять його ефективним для систем, що потребують швидкості та гнучкості. Також, Redis підтримує збереження даних на диску.

Memcached є простим і швидким рішенням для кешування. Він є ідеальним для кешування необроблених попередньо серіалізованих даних. Memcached ефективно використовує доступну пам’ять. Проста архітектура Memcached забезпечує дуже високу продуктивність, особливо на швидких машинах з високошвидкісною мережею.

При виборі між Redis і Memcached враховуйте складність програми, вимоги до структури даних та масштабованість. Redis є кращим для ситуацій, коли потрібні різноманітні структури даних і розширені функції. Memcached забезпечує найнижчі затримки та найвищу пропускну здатність у простих високопродуктивних сценаріях кешування.

Вибір між Redis і Memcached залежить від конкретних потреб та обмежень проекту. Іноді одного кешування даних може бути недостатньо.

Дізнайтеся, як налаштувати локальний сервер кешування DNS в Linux.