前言

缓存（Cache）策略在计算机系统中起着至关重要的作用，它们决定了数据如何在存储层次结构中流动和被管理，缓存策略的选择可以显著影响系统的性能、可靠性和复杂性。我们来分析 6种常见缓存策略：

1. Read Through（读取穿透）
2. Cache Aside（缓存旁路）
3. Write Through（直写）
4. Write Around（绕过缓存写）
5. Write Back（回写）
6. Refresh-ahead（预刷新）

Read Through

Read Through缓存策略是一种同步读取策略，在这种策略中，当应用程序需要读取数据时，首先查询缓存，如果缓存中没有所需的数据（即缓存未命中），缓存系统会自动从底层数据存储（如数据库）中读取数据，并将其存入缓存中，然后返回给应用程序。其模型如下图：

优点：

• 简化应用逻辑：应用程序不需要处理缓存未命中的情况，缓存系统自动处理数据加载。
• 数据一致性：由于缓存系统直接从数据源读取数据，确保了缓存中的数据是最新的。

缺点：

• 初次访问延迟：如果缓存未命中，读取操作会有一定的延迟，因为需要从底层存储中获取数据。
• 缓存填充开销：每次缓存未命中时，都会导致底层存储的访问，这可能会增加系统的负载。

适用场景：

• 适用于读操作频繁且读一致性要求较高的场景。
• 在数据更新频率较低的情况下，Read Through可以有效减少应用程序的复杂性。

Cache Aside

Cache Aside（也称为Lazy Loading或Lazy Caching）策略要求应用程序显式地管理缓存。应用程序首先检查缓存，如果未命中，则从底层数据存储中读取数据，并将其放入缓存中供下次使用。其模型如下图：

优点：

• 灵活性高：应用程序可以根据具体需求决定何时加载和更新缓存。
• 缓存命中率高：由于应用程序负责缓存管理，可以更好地优化缓存使用。

缺点：

• 复杂性增加：应用程序需要处理缓存未命中的逻辑以及缓存的更新和失效。
• 潜在的数据不一致性：如果数据更新后未及时刷新缓存，可能会导致不一致的数据。

适用场景：

• 适用于读多写少且对读性能要求高的场景。
• 应用程序可以容忍一定程度的数据不一致性。

Write Through

Write Through策略是一种同步写入策略，当应用程序对数据进行更新时，数据会同时写入缓存和底层数据存储，这确保了缓存和数据存储的一致性。其模型如下图：

优点：

• 数据一致性强： 由于每次写操作都会更新缓存和数据存储，因此可以保证它们之间的数据一致性。
• 简单的实现：不需要复杂的缓存失效机制。

缺点：

• 写操作延迟：每次写操作都需要更新底层存储，这可能导致写操作的延迟增加。
• 写入开销大：频繁的写操作可能会导致底层存储的负载增加。

适用场景：

• 适用于数据一致性要求高且写操作相对较少的场景。
• 在需要确保每次写入操作后的数据一致性时，Write Through是一种有效的策略。

Write Around

Write Around策略是一种变体的写入策略，当数据被更新时，仅更新底层数据存储，而不更新缓存，缓存的数据只有在被读取时才会更新。其模型如下图：

优点：

• 降低写入延迟：避免了每次写操作都更新缓存，从而降低了写入延迟。
• 减轻缓存压力：写操作不会直接影响缓存，可以减少缓存的更新频率。

缺点：

• 缓存未命中率高：由于写入操作不更新缓存，可能导致后续读取操作未命中缓存。
• 潜在的数据不一致性：如果缓存中的数据在更新后没有及时刷新，可能会导致数据不一致。

适用场景：

• 适用于写操作频繁且读操作可以容忍一定延迟的场景。
• 在需要减少写操作对缓存影响的情况下，Write Around是一种可行的策略。

Write Back

Write Back策略是一种异步写入策略，当应用程序更新数据时，仅更新缓存，缓存中的数据会在一段时间后（或满足特定条件时）批量写入底层数据存储。其模型如下图：

优点：

• 写操作延迟低：由于写操作仅更新缓存，写入延迟较低。
• 提高系统吞吐量：批量写入可以减少对底层存储的访问次数，提高系统的整体吞吐量。

缺点：

• 数据一致性风险：由于底层存储更新滞后，可能导致数据不一致。
• 数据丢失风险：如果缓存数据在写入底层存储之前丢失（例如系统故障），可能导致数据丢失。

适用场景：

• 适用于写操作频繁且对写入性能要求高的场景。
• 在可以接受一定程度的数据延迟和不一致性的情况下，Write Back是一种高效的策略。

Refresh-ahead（预刷新）

Refresh-ahead 是一种缓存预取策略，旨在提高系统的响应速度，尤其是在可预测的访问场景下，与其他缓存策略的被动性不同，refresh-ahead通过主动预测未来可能会被访问的数据，提前从主存储载入缓存中，从而减少未来请求时的缓存未命中率（Cache Miss）。其模型如下图：

优点：

• 减小读取延迟：通过提前加载数据降低未来请求的响应时间，特别是减少了缓存未命中的概率。
• 提升性能：由于数据被提前载入，系统在实际请求到达时能立即提供服务，减少瓶颈。

缺点：

• 资源浪费：如果预测不准确，预载入的数据可能根本不会被访问，这将导致内存和IO资源的浪费。
• 处理复杂性增加：需要进行访问模式的监控与分析，对系统增加了额外的复杂度。

使用场景：

• 时间序列数据：例如股票行情、传感器读数等具有强时间依赖或者逐步递增的数据流场景，这类数据的访问频率和顺序可以被良好预测。
• 顺序读取：如果系统知道存在将要顺序访问的数据块，可以提前将数据加载到缓存。
• 高延迟系统：例如大规模分布式系统或移动网络应用，提前刷新可以减少等待时间和网络延迟。

综合分析

在选择缓存策略时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡，以下是一些日常开发中经常需要考虑的因素：

• 数据一致性：如果数据一致性是首要考虑因素，Write Through和 Read Through是较好的选择。
• 性能要求：如果系统对性能要求较高，尤其是写入性能，Write Back策略可能更适合。
• 复杂性与灵活性：Cache Aside提供了更大的灵活性，但也增加了应用程序的复杂性。
• 延迟与吞吐量：Write Around可以减少写入延迟，而Write Back可以提高系统的吞吐量。
• 可预测性：如果系统可预测性较强，Write Around可以减少写入延迟，而 Write Back可以提高系统的吞吐量。

总结

本文，我们分析了 5种常见的缓存策略，也是在我们日常开发中经常使用的策略，关于缓存策略的选择应根据具体的应用需求、系统架构以及性能目标进行评估和优化。在实际应用中，我们可能只使用其中的某一种，也可以需要结合多种策略，最终如何选择，需要根据实际业务情况而定，最后我们再回顾下 5种策略：

• Read Through：在缓存缺失时从主存取数据并更新缓存，适合读多写少场景。
• Cache Aside：由应用程序自己管理缓存，提供灵活性，适合复杂业务逻辑。
• Write Through：实时在缓存和主存同步写数据，保证一致性但写入稍慢。
• Write Around：写操作跳过缓存，减少写入负担，适合写频繁但读取少的情况。
• Write Back：先写缓存，后续批量写入主存，提升写性能，但最终一致性难以保证。选择应根据性能需求和一致性要求平衡。
• Refresh-ahead：预先载入未来可能会被访问的数据，减少未来请求的响应时间，适合在可预测的访问场景下。