尹衍林

（雞西大學 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100）

在網(wǎng)站設計過程中，完全依靠實時數(shù)據(jù)庫查詢，雖然可以獲得最快的數(shù)據(jù)同步，但是會增加服務器的壓力，從而影響服務器執(zhí)行的效率，緩存技術可以解決效率方面的問題。通過使用適當?shù)木彺嬖O置，可以向用戶提供較好的應用程序體驗。如果缺乏整體緩存機制設計，不僅會導致網(wǎng)絡的性能低劣，還會引發(fā)一些功能缺陷。

1 緩存機制設計的原則

無論是頁面緩存還是數(shù)據(jù)緩存，在設計的過程中都應當盡量遵循以下一些基本原則。

1.1 適量適用原則

緩存的使用是建立在占用內(nèi)存（甚至磁盤空間）的基礎上的，所以緩存的濫用必然導致大量磁盤空間和內(nèi)存的無謂消耗。因此，雖然緩存的查詢速度非?？欤覀?nèi)匀灰M量保持緩存的清潔和簡約，需要用到緩存的地方，毫不猶豫地使用它，但是對于一些不太可能被訪問到的數(shù)據(jù)，盡量不要隨意地、長時間地保存在緩存中，那樣雖然在表面上也并不會影響整個網(wǎng)站數(shù)據(jù)的查詢，但是這些數(shù)據(jù)會在無意中失去管理，成為內(nèi)存中的垃圾，甚至還可能為網(wǎng)站數(shù)據(jù)安全帶來風險。

1.2 功能與效率平衡原則

眾所周知，緩存中的內(nèi)容與數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容很難在每時每刻都保持絕對一致，這種一致性只能無限地接近，在這個無限接近的過程當中，需要付出性能的代價。由于網(wǎng)站服務器的CPU數(shù)量和性能在長時間內(nèi)是基本穩(wěn)定的，與擴展性相對較強的內(nèi)存相比，CPU可以說是整個系統(tǒng)中的稀缺資源，因此在獲得更好的數(shù)據(jù)更新效果的同時，也要注意到緩存更新所帶來的效率問題。

1.3 同步原則

這里的同步不是指數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與緩存數(shù)據(jù)的同步，而是指不同的緩存項中的數(shù)據(jù)，甚至是分布式系統(tǒng)中不同服務器中的數(shù)據(jù)同步。這種數(shù)據(jù)同步優(yōu)先級別要大大高于數(shù)據(jù)庫與緩存之間的同步。因為數(shù)據(jù)庫與緩存之間的同步很少會帶來操作上的歧義，但是不同緩存項中的數(shù)據(jù)如果產(chǎn)生了差別，就可能在兩個不同的地方針對同一筆數(shù)據(jù)或者流程采取不同的操作，對于網(wǎng)站系統(tǒng)來說，這樣的漏洞比程序本身的Bug更難控制。

1.4 充分利用原則

緩存中一旦建立了相應數(shù)據(jù)的緩存項，就應當充分利用它。這要求緩存的通用性和兼容性更強，并且建立很好的接口；緩存模塊只有建立在良好的設計基礎之上，才能更好地實現(xiàn)。

1.5 靈活原則

具體問題具體分析，這一理論貫穿于軟件開發(fā)的整個過程，以上四種原則是緩存機制設置的最基本原則，在實際應用過程中，難免會出現(xiàn)一些特殊問題或受特殊因素的影響而使設計發(fā)生改變，因此在創(chuàng)建緩存模塊的過程中，要全面考慮，根據(jù)不同的情況靈活應用。

2 緩存優(yōu)化設計

2.1 頁面緩存優(yōu)化設計

以問答模塊為例，問答等模塊都是建立在用戶模塊基礎上的，也就是說用戶登錄以后才能使用該模塊的功能。系統(tǒng)在多數(shù)頁面中往往會包含用戶的個人信息（如用戶名、站內(nèi)信提示、賬戶信息等），這樣的頁面一旦被整個緩存起來，在一段時間內(nèi)，所有的用戶都將看到一模一樣的個人信息，這顯然是不合理的。所以在模塊中使用頁面緩存時要非常注意，盡量不要整個頁面都使用頁面緩存，而是緩存局面的用戶控件或者服務器控件。

由于頁面緩存的靈活性低于數(shù)據(jù)緩存，所以在一些可以使用頁面緩存但是數(shù)據(jù)變動較為頻繁的頁面中，我們將更優(yōu)先考慮頁面緩存，如問題詳細信息頁面的回答列表。

2.2 數(shù)據(jù)緩存優(yōu)化設計

數(shù)據(jù)緩存優(yōu)化設計是整個緩存機制的重點，這不僅因為數(shù)據(jù)緩存的代碼會比較復雜，不像頁面緩存那樣可以簡單地進行配置，更重要的是數(shù)據(jù)緩存貫穿整個模塊乃至整個網(wǎng)站，可能會涉及到網(wǎng)頁的任何一個頁面，其變動性和靈活性對緩存擴展性的要求很高，并且數(shù)據(jù)緩存在很多情況下會直接關系到整個網(wǎng)站的數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定性。因此，構(gòu)建一個強大穩(wěn)定的緩存模塊是十分必要的。

正因為數(shù)據(jù)緩存是所有緩存的重中之重，網(wǎng)站和其中任何子模塊的緩存設計都應當把數(shù)據(jù)緩存放在最重要的位置。對于問題模塊來說，幾乎所有內(nèi)容都可以使用緩存，因此我們的目標是，盡可能使所有頁面請求的數(shù)據(jù)都從緩存中讀取，而不是直接從數(shù)據(jù)庫讀取。對于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的緩存通常有兩種做法——全部緩存和部分緩存。

全部緩存是將所有數(shù)據(jù)庫的信息一個不漏地放入緩存中，以緩存查詢完全替代數(shù)據(jù)庫查詢。這種做法的優(yōu)點是：更新條件簡單，只需要從數(shù)據(jù)庫中讀取所有數(shù)據(jù)即可；查詢邏輯簡單，只需要查詢緩存中的數(shù)據(jù)，如果緩存中不存在，就表示數(shù)據(jù)庫中也不存在，沒有必要再到數(shù)據(jù)庫中查詢。缺點是：占用更多的內(nèi)存，查詢時程序可能面臨更多的冗余數(shù)據(jù)；一旦數(shù)據(jù)更新過程出錯，可能導致不完全的查詢。雖然為了保證查詢的可靠性，我們可以把在緩存中查詢不到的數(shù)據(jù)再從數(shù)據(jù)庫查詢，但是這樣會降低全部緩存的效率，甚至有時候還不如直接從數(shù)據(jù)庫查詢。

為了彌補全部緩存的不足，我們可以使用部分緩存。部分緩存是指把一部分數(shù)據(jù)存入緩存中，當程序查詢數(shù)據(jù)的時候，優(yōu)先從緩存中查詢，當緩存中不存在此數(shù)據(jù)時，再從數(shù)據(jù)庫查詢。如果數(shù)據(jù)量十分龐大，并且命中率比較低的時候，部分緩存是一個不錯的方案。部分緩存中數(shù)據(jù)可以是系統(tǒng)約定的，也可以是從數(shù)據(jù)庫中查詢到數(shù)據(jù)，返回的時候順便記錄到緩存中。在緩存過期之前，再次查詢相同數(shù)據(jù)的時候，程序能夠很快地從緩存中找到數(shù)據(jù)。

與全部緩存相比，部分緩存的優(yōu)點顯而易見，即更加節(jié)約內(nèi)存，數(shù)據(jù)更有效，查詢效率更高。同樣，部分緩存也存在不足，如重復查詢。數(shù)據(jù)重復，這個問題和線程有關，假設A和B兩個進程同時以相同的目標查詢緩存，結(jié)果緩存中不存在，然后程序自動分別將這兩個查詢結(jié)果添加到緩存中[1]。

解決這個問題的方法是使用一些設計模式（單例模式）限制對緩存的訪問，在同一個時間內(nèi)只允許一個線程訪問緩存。但是這種做法在應對這個缺陷的時候，還是會存在一些問題，如果數(shù)據(jù)庫查詢速度比較慢就會出現(xiàn)一些問題。

在設計各緩存模塊的過程中，應當運用靈活原則，在充分考慮數(shù)據(jù)庫特征的基礎上，采取全部緩存和部分緩存兩個策略，可以將兩者的一些思路結(jié)合起來應用。對于一些數(shù)據(jù)量不大、相對比較固定、查詢頻率比較高的數(shù)據(jù)，可以使用全部緩存，如目錄和用戶信息；對于數(shù)據(jù)量大、查詢頻率不高的數(shù)據(jù)，可以使用部分緩存，如提問信息。

數(shù)據(jù)緩存和頁面緩存不同，配置的靈活性為我們提供了足夠多的架構(gòu)空間。因此，一個設計合理的數(shù)據(jù)緩存模塊將有助于網(wǎng)站建設的成功。

3 其他一些緩存機制的建議

3.1 索引

搜索引擎的索引是一個核心單元，幾乎所有的搜索都是圍繞著索引進行的，從搜索機器人的抓錄網(wǎng)頁，到SEO的一些優(yōu)化原則，搜索引擎到處都離不開索引。

當關鍵字上升到索引之后，就成了系統(tǒng)程序的組成部分，而不僅僅是用戶感興趣的一些字詞，在搜索引擎（包括站內(nèi)搜索模塊）的開發(fā)過程中，處理好索引，包括索引的內(nèi)容、方式和結(jié)構(gòu)，將有助于搜索效率的提高，使日后網(wǎng)站維護更加便捷。從緩存中匹配關鍵字，根據(jù)關鍵字查詢到對應記錄，可以在很大程度上提高搜索效率。還可以在服務器后臺配置數(shù)據(jù)庫時預先將數(shù)據(jù)中的關鍵字存儲到數(shù)據(jù)庫中，并為這些關鍵字和數(shù)據(jù)建立關聯(lián)，這樣當從數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)時，就不必重復查找關鍵字，也不必在有限的關鍵字產(chǎn)生的時候遍歷所有的緩存中的數(shù)據(jù)，同時，也可以使用一些更高效的索引方法，將更多的關鍵字提供給程序，以最直接的方式查詢。

3.2 多線程同步

當網(wǎng)站發(fā)展到一定規(guī)模之后，一臺服務器已不堪重負，就會用到分布式系統(tǒng)。這不僅僅是數(shù)據(jù)庫和服務器的分離，還包括多臺服務器同時處理業(yè)務邏輯。各臺服務器的內(nèi)存是相對獨立的，如何處理不同服務器內(nèi)存中數(shù)據(jù)的同步是一個難題。對于訪問網(wǎng)站的用戶來說，訪問的往往是同一個（或一些）域名下的信息，不同的服務器返回的數(shù)據(jù)和結(jié)果對他來說應該是沒有差別的。網(wǎng)站的數(shù)據(jù)更新非?？?，有時一秒鐘內(nèi)可能就有幾個、十幾個甚至更多的請求，如何保證各個線程之間數(shù)據(jù)的同步就成了一個突出的問題。在緩存模塊的應用中也有一個有關多線程的應用，更新緩存通常會為其設定一個過期的時間或者依賴項，當緩存過期后，內(nèi)容被清空，此時并沒有及時更新緩存，而是等待下一次訪問的時候更新。這樣保證了緩存過期后第一次訪問時是最新的數(shù)據(jù)，但是通常情況下需要花費很多時間查詢和初始化數(shù)據(jù)。在這種情況下，可以建立一個獨立的線程（或者服務），在服務器后臺運行，不依靠用戶訪問來觸發(fā)緩存更新事件，而是讓系統(tǒng)自覺地更新，這些更新可以依據(jù)時間、緩存項或者是其他一些更加靈活的條件來實現(xiàn)。

3.3 關鍵字

這里的關鍵字是指查詢字符串本身。在搜索引擎中，并不是所有的字符串都能夠成為查詢的關鍵字，如不構(gòu)成實踐意義的符號，或者對搜索過程造成影響的符號、字符，如星號、頓號、單引號等，這些比較特殊的字符應當在程序進行實際搜索之前過濾掉。

對于程序來說，它本身是不能理解關鍵字的真實含義和多個關鍵字之間的聯(lián)系的，如“再接再厲”常常會被人們錯誤的寫成“再接再勵”，所以當用戶搜索“再接再勵”時，他的實際意圖可能是搜索“再接再厲”關鍵字，這時需要一個人性化的搜索引擎對此給出提示，為用戶提供一個有可能更準確的關鍵字[2]，一般而言可以通過兩種方法來實現(xiàn)。一是用固定關鍵字關聯(lián)，即將多個常用的關鍵字進行關聯(lián)，它們之間和字母、漢字的關系一般是比較固定的；二是拼音關聯(lián)，在電腦上輸入錯別字是常有的事情，如果使用拼音輸入法，這些錯別字除了發(fā)音相同、相近之外，可能并沒有太多的區(qū)別，如將“再接再厲”輸入成“再接再利”就無法使用一種固定關鍵字關聯(lián)的辦法，這個時候?qū)ⅰ霸俳釉賲枴钡钠匆粲涗浵聛恚c用戶輸入的關鍵字的拼音進行比較，當拼音相同或者相近的時候，系統(tǒng)就可以給出對應熱門關鍵字的友好提示。

3.4 數(shù)據(jù)庫訪問

基于數(shù)據(jù)庫訪問的特征以及存儲器硬件特點，所有這些緩存所圍繞的一個主題都是避免執(zhí)行更多的數(shù)據(jù)庫操作[3]。緩存中的信息最終來源于數(shù)據(jù)庫，所以如果能夠盡量加快或者減少緩存和數(shù)據(jù)庫之間的交流，也能提高緩存模塊的使用效率。

4 總結(jié)

在網(wǎng)站的開發(fā)過程中，要建立一套完善的緩存機制，并根據(jù)網(wǎng)站的現(xiàn)狀進行更新和升級，靈活地使用這些緩存。因此，很多時候需要專門為緩存組建一些模塊，使網(wǎng)站在運行過程中能夠更可靠、更穩(wěn)定地使用緩存。

［1］朱印宏.ASP.NET3.5+SQLServer網(wǎng)站模塊化開發(fā)［M］.北京：清華大學出版社，2009：471-472.

［2］趙玉偉，趙小雨，喬木.緩存技術在B/S架構(gòu)信息系統(tǒng)中的應用［J］.計算機工程，2008，34（1）：233-235.

［3］楊立身，曹志義.內(nèi)存緩存技術在門戶網(wǎng)站開發(fā)中的應用研究［J］.電腦知識與技術，2008，3（7）：1415-1416.