Что такое веб кэш
Что такое кэш и зачем его чистить
Это старые данные, которые уже могут быть неактуальны
Когда не работает какой-то сайт или сервис, от техподдержки часто можно услышать «Почистите кэш и перезагрузите страницу». Иногда это помогает. Рассказываем, почему так происходит, что такое кэш, зачем он нужен и как его почистить.
⚠️ Минутка грамотности. По словарю РАН слово cache в русском пишется «кеш». Но по рекомендациям Гиляревского нужно писать «кэш». И нам нравится, как это произносится. Произнесите вместе с нами:
Что такое кэш
Кэш — это данные, которые компьютер уже получил и использовал один раз, а потом сохранил на будущее. Смысл кэша в том, чтобы в следующий раз взять данные не с далёкого и медленного сервера, а из собственного быстрого кэша. То же самое, что закупиться продуктами на неделю и потом ходить не в магазин, а в холодильник.
В случае с браузером это работает так:
Дальше происходит так:
4. Если вкладкой или браузером долго не пользовались, операционная система выгружает из оперативной памяти все страницы, чтобы освободить место для других программ.
5. Если переключиться назад на браузер, он моментально сходит в кэш, возьмёт оттуда загруженную страницу и покажет её на экране.
Получается, что если браузер будет брать из кэша только постоянные данные и скачивать с сервера только что-то новое, то страница будет загружаться гораздо быстрее. Выходит, главная задача браузера — понять, какой «срок годности» у данных в кэше и через какое время их надо запрашивать заново.
👉 Например, браузер может догадаться, что большая картинка на странице вряд ли будем меняться каждые несколько секунд, поэтому имеет смысл подержать её в кэше и не загружать с сервера при каждом посещении. Поэтому в кэше часто хранятся картинки, видеоролики, звуки и другие декоративные элементы страницы.
👉 Для сравнения: браузер понимает, что ответ сервера на конкретный запрос пользователя кэшировать не надо — ведь ответы могут очень быстро меняться. Поэтому ответы от сервера браузер не кэширует.
Какая проблема с кэшем
На первый взгляд кажется, что кэш — это прекрасно: данные уже загружены, к ним можно быстро обратиться и достать оттуда всё, что нужно, без запроса к серверу на другом конце планеты.
Но представьте такую ситуацию: вы заходите в интернет-магазин обуви, в котором покупали уже много раз, но товары почему-то не добавляются в корзину. Или добавляются, но кнопка «Оплатить» не работает. Чаще всего причина в том, что браузер делает так:
Решение — почистить кэш
Когда мы чистим кэш, оттуда удаляются все данные, которые браузер сохранил «на всякий случай». Это значит, что при обновлении страницы браузер заглянет в кэш, увидит, что там пусто и запросит все данные с сервера заново. Они, конечно, тоже сразу отправятся в кэш, но в следующий раз вы уже будете знать, что делать.
Чтобы очистить кэш в Сафари, достаточно нажать ⌥+⌘+E, а в Хроме — нажать Ctrl+Shift+Backspace (⇧+⌘+Backspace) и выбрать время, в пределах которого нужно очистить кэш:
Зачем нужен кэш, если из-за него всё ломается?
На самом деле всё ломается не из-за кэша, а из-за неправильных настроек сервера, которые отдают страницу. Потому что именно сервер должен сказать браузеру: «Вот это можно кэшировать, а вон то лучше не кэшируй, мало ли что».
Часто разработчики недокручивают эти настройки, и браузер не получает нужных инструкций, поэтому кэширует всё подряд. И тогда приходится вмешиваться, чистить кэш и восстанавливать работоспособность.
Кэширование и производительность веб-приложений
Кэширование позволяет увеличивать производительность веб-приложений за счёт использования сохранённых ранее данных, вроде ответов на сетевые запросы или результатов вычислений. Благодаря кэшу, при очередном обращении клиента за одними и теми же данными, сервер может обслуживать запросы быстрее. Кэширование — эффективный архитектурный паттерн, так как большинство программ часто обращаются к одним и тем же данным и инструкциям. Эта технология присутствует на всех уровнях вычислительных систем. Кэши есть у процессоров, жёстких дисков, серверов, браузеров.
Ник Карник, автор материала, перевод которого мы сегодня публикуем, предлагает поговорить о роли кэширования в производительности веб-приложений, рассмотрев средства кэширования разных уровней, начиная с самого низкого. Он обращает особое внимание на то, где именно могут быть кэшированы данные, а не на то, как это происходит.
Мы полагаем, что понимание особенностей систем кэширования, каждая из которых вносит определённый вклад в скорость реакции приложений на внешние воздействия, расширит кругозор веб-разработчика и поможет ему в деле создания быстрых и надёжных систем.
Процессорный кэш
Начнём наш разговор о кэшах с самого низкого уровня — с процессора. Кэш-память процессора — это очень быстрая память, которая играет роль буфера между процессором (CPU) и оперативной памятью (RAM). Кэш-память хранит данные и инструкции, к которым обращаются чаще всего, благодаря чему процессор может получать ко всему этому доступ практически мгновенно.
В процессорах имеется особая память, представленная регистрами процессора, которая обычно представляет собой небольшое хранилище информации, обеспечивающее крайне высокую скорость обмена данными. Регистры — это самая быстрая память, с которой может работать процессор, которая расположена максимально близко к остальным его механизмам и имеет небольшой объём. Иногда регистры называют кэшем нулевого уровня (L0 Cache, L — это сокращение от Layer).
У процессоров, кроме того, имеется доступ к ещё нескольким уровням кэш-памяти. Это — до четырёх уровней кэша, которые, соответственно, называются кэшами первого, второго, третьего, и четвёртого уровня (L0 — L4 Cache). То, к какому именно уровню относятся регистры процессора, в частности, будет ли это кэш нулевого или первого уровня, определяется архитектурой процессора и материнской платы. Кроме того, от архитектуры системы зависит то, где именно — на процессоре, или на материнской плате, физически расположена кэш-память разных уровней.
Структура памяти в некоторых новейших CPU
Кэш жёсткого диска
Жёсткие диски (HDD, Hard Disk Drive), применяемые для постоянного хранения данных — это, в сравнении с оперативной памятью, предназначенной для кратковременного хранения информации, устройства довольно медленные. Однако надо отметить, что скорость постоянных хранилищ информации увеличивается благодаря распространению твердотельных накопителей (SSD, Solid State Drive).
В системах долговременного хранения информации кэш диска (его ещё называют буфером диска или кэширующим буфером) — это встроенная в жёсткий диск память, которая играет роль буфера между процессором и физическим жёстким диском.
Кэш жёсткого диска
Дисковые кэши работают, исходя из предположения, что когда на диск что-то пишут, или с него что-то читают, есть вероятность того, что в ближайшем будущем к этим данным будут обращаться снова.
О быстродействии жёстких дисков и оперативной памяти
Разница между временным хранением данных в оперативной памяти и постоянным хранением на жёстком диске проявляется в скорости работы с информацией, в стоимости носителей и в близости их к процессору.
Время отклика оперативной памяти составляет десятки наносекунд, в то время как жёсткому диску нужны десятки миллисекунд. Разница в быстродействии дисков и памяти составляет шесть порядков!
Одна миллисекунда равна миллиону наносекунд
Простой веб-сервер
Теперь, когда мы обсудили роль кэширования в базовых механизмах компьютерных систем, рассмотрим пример, иллюстрирующий применение концепций кэширования при взаимодействии клиента, представленного веб-браузером, и сервера, который, реагируя на запросы клиента, отправляет ему некие данные. В самом начале у нас имеется простой веб-сервер, который, отвечая на запрос клиента, считывает данные с жёсткого диска. При этом представим, что между клиентом и сервером нет никаких особых систем кэширования. Вот как это выглядит.
При работе вышеописанной системы, когда клиент обращается напрямую к серверу, а тот, самостоятельно обрабатывая запрос, читает данные с жёсткого диска и отправляет клиенту, без кэша всё-таки не обходится, так как при работе с диском будет задействован его буфер.
При первом запросе жёсткий диск проверит кэш, в котором, в данном случае, ничего не будет, что приведёт к так называемому «промаху кэша». Затем данные считаются с самого диска и попадут в его кэш, что соответствует предположению, касающемуся того, что эти данные могут понадобиться снова.
При последующих запросах, направленных на получение тех же данных, поиск в кэше окажется успешным, это — так называемое «попадание кэша». Данные в ответ на запрос будут поступать из дискового буфера до тех пор, пока они не будут перезаписаны, что, при повторном обращении к тем же данным, приведёт к промаху кэша.
Кэширование баз данных
Усложним наш пример, добавим сюда базу данных. Запросы к базам данных могут быть медленными и требовать серьёзных системных ресурсов, так как серверу баз данных, для формирования ответа, нужно выполнять некие вычисления. Если запросы повторяются, кэширование их средствами базы данных поможет уменьшить время её отклика. Кроме того, кэширование полезно в ситуациях, когда несколько компьютеров работают с базой данных, выполняя одинаковые запросы.
Простой веб-сервер с базой данных
Большинство серверов баз данных по умолчанию настроены с учётом оптимальных параметров кэширования. Однако, существует множество настроек, которые могут быть модифицированы для того, чтобы подсистема баз данных лучше соответствовала особенностям конкретного приложения.
Кэширование ответов веб-сервера
Продолжим развивать наш пример. Теперь веб-сервер, раньше рассматриваемый как единая сущность, разбит на две части. Одна из них, собственно веб-сервер, теперь занимается взаимодействием с клиентами и с серверным приложением, которое уже работает с системами хранения данных. Веб-сервер можно настроить так, чтобы он кэшировал ответы, в результате ему не придётся постоянно отправлять серверному приложению похожие запросы. Похожим образом, основное приложение может кэшировать некоторые части собственных ответов на ресурсоёмкие запросы к базе данных или на часто встречающиеся запросы файлов.
Кэш ответов и кэш приложения
Ответы веб-сервера кэшируются в оперативной памяти. Кэш приложения может храниться либо локально, в памяти, либо на специальном кэширующем сервере, который использует базу данных, вроде Redis, которая хранит данные в оперативной памяти.
Мемоизация функций
Сейчас поговорим об оптимизации производительности серверного приложения за счёт мемоизации. Это — разновидность кэширования, применяемая для оптимизации работы с ресурсоёмкими функциями. Данная техника позволяет выполнять полный цикл вычислений для определённого набора входных данных лишь один раз, а при следующих обращениях к функции с теми же входными данными сразу выдавать найденный ранее результат. Мемоизация реализуется посредством так называемых «таблиц поиска» (lookup table), хранящих ключи и значения. Ключи соответствуют входным данным функции, значения — результатам, которые возвращает функция при передаче ей этих входных данных.
Мемоизация функции с помощью таблицы поиска
Мемоизация — это обычный приём, используемый для повышения производительности программ. Однако он может быть не особенно полезным при работе с ресурсоёмкими функциями, которые вызываются редко, или с функциями, которые, и без мемоизации, работают достаточно быстро.
Кэширование в браузере
Теперь перейдём на сторону клиента и поговорим о кэшировании в браузерах. В каждом браузере имеется реализация HTTP-кэша (его ещё называют веб-кэшем), который предназначен для временного хранения материалов, полученных из интернета, таких, как HTML-страницы, JavaScript-файлы и изображения.
Этот кэш используется, когда в ответе сервера содержатся правильно настроенные HTTP-заголовки, указывающие браузеру на то, когда и на какое время он может кэшировать ответ сервера.
Перед нами весьма полезная технология, которая даёт следующие преимущества всем участникам обмена данными:
Кэширование в браузере
Кэширование и прокси-серверы
В компьютерных сетях прокси-серверы могут быть представлены специальным аппаратным обеспечением или соответствующими приложениями. Они играют роль посредников между клиентами и серверами, хранящими данные, которые этим клиентам требуются. Кэширование — это одна из задач, которую они решают. Рассмотрим различные виды прокси-серверов.
▍Шлюзы
Шлюз (gateway) — это прокси-сервер, который перенаправляет входящие запросы или исходящие ответы, не модифицируя их. Такие прокси-серверы ещё называют туннелирующими прокси (tunneling proxy), веб-прокси (web proxy), прокси (proxy), или прокси уровня приложения (application level proxy). Эти прокси-серверы обычно совместно используются, например, всеми клиентами, находящимися за одним и тем же файрволом, что делает их хорошо подходящими для кэширования запросов.
▍Прямые прокси-серверы
Прямой прокси-сервер (forward proxy, часто такие серверы называют просто proxy server) обычно устанавливается на стороне клиента. Веб-браузер, который настроен на использование прямого прокси-сервера, будет отправлять исходящие запросы этому серверу. Затем эти запросы будут перенаправлены на целевой сервер, расположенный в интернете. Одно из преимуществ прямых прокси заключаются в том, что они защищают данные клиента (однако, если говорить об обеспечении анонимности в интернете, безопаснее будет пользоваться VPN).
▍Веб-ускорители
Веб-ускоритель (web accelerator) — это прокси-сервер, который уменьшает время доступа к сайту. Он делает это, заранее запрашивая у сервера документы, которые, вероятнее всего, понадобятся клиентам в ближайшем будущем. Подобные серверы, кроме того, могут сжимать документы, ускорять выполнение операций шифрования, уменьшать качество и размер изображений, и так далее.
▍Обратные прокси-серверы
Обратный прокси-сервер (reverse proxy) — это обычно сервер, расположенный там же, где и веб-сервер, с которым он взаимодействует. Обратные прокси-серверы предназначены для предотвращения прямого доступа к серверам, расположенным в частных сетях. Обратные прокси используются для балансировки нагрузки между несколькими внутренними серверами, предоставляют возможности SSL-аутентификации или кэширования запросов. Такие прокси выполняют кэширование на стороне сервера, они помогают основным серверам в обработке большого количества запросов.
▍Пограничное кэширование
Обратные прокси-серверы расположены близко к серверам. Существует и технология, при использовании которой кэширующие серверы располагаются как можно ближе к потребителям данных. Это — так называемое пограничное кэширование (edge caching), представленное сетями доставки контента (CDN, Content Delivery Network). Например, если вы посещаете популярный веб-сайт и загружаете какие-нибудь статические данные, они попадают в кэш. Каждый следующий пользователь, запросивший те же данные, получит их, до истечения срока их кэширования, с кэширующего сервера. Эти серверы, определяя актуальность информации, ориентируются на серверы, хранящие исходные данные.
Прокси-серверы в инфраструктуре обмена данными между клиентом и сервером
Итоги
В этом материале мы рассмотрели различные уровни кэширования данных, применяющиеся в процессе обмена информацией между клиентом и сервером. Веб-приложения не могут мгновенно реагировать на воздействия пользователя, что, в частности, связано, для действий, требующих обмена данными с серверами этих приложений, с необходимостью выполнения неких вычислений перед отправкой ответа. Во время, необходимое для передачи данных от сервера клиенту, входит и время, необходимое для поиска необходимых данных на диске, и сетевые задержки, и обработка очередей запросов, и механизмы регулирования полосы пропускания сетей, и многое другое. Если учесть, что всё это может происходить на множестве компьютеров, находящихся между клиентом и сервером, то можно говорить о том, что все эти задержки способны серьёзно увеличить время, необходимое для прихода запроса на сервер и получения клиентом ответа.
Правильно настроенная система кэширования способна значительно улучшить общую производительность сервера. Кэши сокращают задержки, неизбежно возникающие при передаче данных по сети, помогают экономить сетевой трафик, и, в результате, уменьшают время, необходимое для того, чтобы браузер вывел запрошенную у сервера веб-страницу.
Уважаемые читатели! Какие технологии кэширования вы используете в своих проектах?
11 видов кэширования для современного сайта
Автор данной статьи не встречал структурированной обзорной информации о важных этапах кэширования, поэтому ему хотелось бы поделиться наработанным опытом в этой области, соединить воедино всю основную информацию по данному вопросу, а также рассмотреть плюсы и минусы каждого вида кэширования.
В первую очередь, хотелось бы пояснить, что кэширование – это одна из наиболее важных составляющих любого проекта. В частности, это единственный способ сделать больше и быстрее при использовании ограниченных ресурсов. А, как известно, ресурсы всегда ограничены: как серверные, так и пользовательские.
Основной проблематикой кэширования является быстрота реакции на запросы к основным системам хранения и обработки входящей и исходящей структурированной информации.
Представьте, что необходимо осуществить быструю передачу информации, однако скорость доступа к данным крайне низкая. Или другая ситуация: скорость хорошая, но мало доступной памяти или ширина канала недостаточная, или процессорные и дисковые факторы мешают осуществить задачу. В этом случае кэширование – это единственный выход из ситуации.
Виды кэширования
Кэширование (или кэш) – это некий промежуточный буфер, в котором хранятся данные. Благодаря кэшированию страница сайта не воссоздается заново для каждого пользователя. Кэширование позволяет осуществлять работу с большим количеством данных в максимально сжатые сроки и при ограниченных ресурсах (серверных и пользовательских).
Необходимо понимать, что работу с данными можно производить как на стороне клиента, так и на сервере. Притом, серверная обработка данных централизована и имеет ряд несомненных преимуществ (особенно для службы поддержки).
Существует несколько видов кэширования, предлагаем рассмотреть каждый вид, его особенности и рекомендации по применению:
1. Браузерное кэширование или клиентское кэширование
Представляет собой составление для браузера команды использовать имеющуюся кэшированную копию. Работа такого кэширования основана на том, что при повторном посещении, браузеру отдаётся заголовок 304 Not Modified, а сама страница или картинка загружаются из локального пользовательского кэша. Получается, что вы экономите на трафике между браузером посетителя и хостингом сайта. Соответственно, страница вашего сайта начинает загружаться быстрее.
1.1 Кэширование файлов и картинок
Браузерное кэширование как нельзя лучше подходит для сайтов, содержащих большое количество изображений: картинка не скачивается каждый раз при открытии сайта, а просто загружается через кэш браузера.
Это первый уровень кэширования, который состоит в отдаче заголовка «expired» и заголовка «304 Not Modified». Наиболее эффективным считается кэширование на 2 недели.
Однако в данном случае есть важный нюанс: если изображение на сайте меняется, то браузер узнает об этом не сразу, а только если выждать expiry или сбросить кэш в самом браузере. Это не очень эффективно, если файл постоянно изменяется и необходимо постоянно отдавать его актуальную версию.
1.2 Кэширование https
Специальные заголовки вида strict-security. Позволяет браузеру всегда обращаться по https к выбранному домену. Сохраняет это состояние довольно жёстко и, в случае отмены этого вида кэша, браузер ещё довольно долго будет пытаться загрузить страницу по https, при этом игнорируя текущие заголовки.
1.3 Кэширование центра сертификации
Так называемый, stamp центра сертификации.
Данный вид кэширования считается обязательным для применения, если вы не хотите, чтобы пользователи вашего сайта ждали, когда центр сертификации (а это некий сервер, который отвечает за достоверность вашего сертификата) обработает запрос от браузера пользователя и подтвердит, что ваш сайт действительно подтверждён им.
1.4 Кэширование страниц
Когда страница уже сгенерирована, нужно постоянно отслеживать ее актуальность. Для этого вы должны использовать серверный кэш с отслеживанием времени изменения отдельных частей страницы (если страница строится из множества динамически генерируемых блоков). При таком подходе в каждом ответе от сервера установлены специальные заголовки, обозначающие время изменения страницы, которые затем отправляются браузером пользователя при повторном обращении к странице сайта. Сервер при получении таких заголовков можем проанализировать текущее состояние страницы (возможно, даже отрисовать её), но вместо содержимого страницы отдать заголовок «304 Not Modified», что для пользовательского браузера будет означать, что можно показать страницу из своего (браузера пользователя) кэша.
Конечно, можно отправлять соответствующие заголовки без использования серверного отслеживания кэша, но в таком случае большинство пользователей получат обновление контента страницы довольно поздно. При таком подходе браузер иногда опрашивает сервер для получения обновлений, но периодичность и правила для каждого браузера настраиваются его разработчиком, поэтому надеяться на то, что ваши пользователи получат обновления вовремя, не приходится.
Как правило, кэш подразделяется по типу пользователей:
— для авторизованных;
— для неавторизованных.
Данное разделение обусловлено уникальностью контента, для каждого авторизованного пользователя и общностью контента для гостевых пользователей. В большинстве сайтов не авторизованный пользователь не может изменять содержимое сайта, а значит и влиять на его содержимое.
Браузерный кэш позволяет экономить трафик и время, затрачиваемое на загрузку страниц. Но для достижения эффекта экономии, пользователь должен хотя бы один раз посетить нашу страницу, а это означает, что нагрузка на серверные ресурсы уменьшится, но не значительно.
2. Серверное кэширование
Под серверным кэшированием понимаются все виды кэширования, при котором данные хранятся на серверной стороне. Эти данные не доступны клиентским браузерам. Кэш создаётся и хранится по принципу «один ко многим» (многие, в данном случае, — это клиентские устройства).
2.1 Кэширование страницы целиком
Наиболее эффективный кэш. Чем он интересен? Самое большое его достоинство в том, что отдача страницы происходит практически в момент обращения, как следствие – это возможность обработки миллионов запросов даже на самом слабом сервере со скоростью работы памяти и с незначительным задействованием процессора.
Пожалуй, любой когда-либо мечтал о сайте, работающем со скоростью «ping» или быстрее.
Но и у этого типа кэша есть свои минусы: например, невозможность кэшировать страницы для авторизованного пользователя, либо пользователя, содержимое страницы которого зависит от текущих переменных пользователя.
Используйте этот кэш, если серверу известны все статичные состояния внешних данных, такие как: uri, get (без дополнительных параметров), пользователь не авторизован — то есть, фактически, это идеальное состояние страницы для гостевых пользователей. Учитывайте тот факт, что при таком кэшировании архитектура сайта или приложения всегда должна однотипно обрабатывать входящие запросы и отдавать однотипные ответы. Такое состояние есть в любом приложении или сайте, его нужно лишь отследить и применить к нему кэш.
Кэширование страниц целиком, чаще всего, применяют в каких-то экстренных случаях, при этом кэш страниц сохраняется на заранее указанное время (от 2 минут), в течение которого ответы от сервера однотипны (не позволяйте браузеру кэшировать это).
2.2 Кэширование результатов компиляции php-файлов
Различают как чистую компиляцию кода, так и его оптимизацию во время компилирования (подмена скриптов). Наиболее яркие примеры:
И тот и другой вид кэширования могут использоваться в проекте, но у каждого есть собственные нюансы, которые необходимо учитывать при написании кода.
2.3 Кэширование отдельных блоков страницы
Это, пожалуй, самый интересный, но и сложный вид кэширования. Тем не менее, он тоже может быть эффективным, и на его примере легче всего объяснить принципы кэширования в целом.
Необходимо отслеживать: состояние таблиц, состояние сессии пользователя, выключать ли кэширование при POST или GET запросах (http query), зависимость от текущего адреса, постоянство кэширования (при изменении предыдущих условий) или его динамическую подстройку.
Кэширование отдельных блоков страниц лучше других типов кэширования подойдёт, если вам нужно, например, уменьшить количество запросов к базе данных от реальных (авторизованных) пользователей. Кстати, при правильно заданных зависимостях, он будет работать даже эффективнее, чем все последующие виды кэширования.
Почему этот вид кэширования настолько важен? Всё дело в том, что расширение пула серверов баз данных намного более сложная задача, чем расширение пула серверов php-части сайта. Более того, php конфликты состояния кэширования решаются гораздо легче, чем конфликты при работе с множеством баз данных.
2.4 Кэширование php на основе неразделяемых ресурсов
Лучше всего подходит при стандартизации запросов, получении данных из общих ресурсов, наличии внутренних переменных, к которым php-ресурсы обращаются несколько раз при генерации страницы.
2.5 Кэширование php на основе общих ресурсов
Такое кэширование применяйте для хранения сериализированных данных. Например: конфигурационного файла, состояния таблиц, списков файловой системы.
2.6 Кэширование mysql на основе query cache
Это довольно известная и наиболее освещённая тема. Тем не менее, хотелось бы рассмотреть специфику работы с timestamp и то, как можно избежать постоянного сброса query cache.
Наверняка, вы регулярно сталкивались с ситуацией, когда необходимо отдать новые материалы, дата публикации которых уже разрешена текущим timestamp? Проще говоря,