แคชคืออะไร?

เมื่อขอข้อมูลจากแหล่งใด ๆ ก็มักจะเกิดความล่าช้าอยู่เสมอ การ Ping ไปยังเว็บเซิร์ฟเวอร์มีหน่วยวัดเป็นมิลลิวินาที เวลาในการเข้าถึงพื้นที่เก็บข้อมูลอาจมีเวลาแฝงเป็นไมโครวินาที ในขณะที่เวลาแฝงของ RAM วัดเป็นรอบสัญญาณนาฬิกาของ CPU แน่นอนว่าความเร็วประเภทนี้เป็นสิ่งที่คิดไม่ถึงเมื่อไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา แต่ในปัจจุบันความเร็วเหล่านี้ไม่เคยเร็วพอ ความเร็วในการเข้าถึงมักเป็นปัญหาคอขวดในการทำงาน วิธีหนึ่งที่สามารถแก้ไขได้คือการแคช

การแคชเป็นกระบวนการจัดเก็บสำเนาชั่วคราวของทรัพยากรในลักษณะที่สามารถเข้าถึงได้เร็วกว่าปกติ มีการใช้งานที่หลากหลายทั้งในด้านซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ แคชสามารถทำหน้าที่เป็นแคชอ่าน เขียนแคช หรือทั้งสองอย่าง

อ่านแคช

ในการอ่านข้อมูลแคชที่ได้รับการร้องขอก่อนหน้านี้จะถูกเก็บไว้ในแคชเพื่อให้เข้าถึงได้เร็วขึ้น ในบางสถานการณ์ แคชอาจถูกโหลดล่วงหน้าด้วยข้อมูลที่อนุญาตให้ส่งคำขอแรกจากแคชแทนที่จะเป็นเพียงคำขอที่ตามมา

แคชการอ่านที่คุณน่าจะคุ้นเคยมากที่สุดคือแคชของเบราว์เซอร์ ที่นี่เบราว์เซอร์จัดเก็บสำเนาของทรัพยากรที่ร้องขอในเครื่อง ซึ่งหมายความว่าหากและเมื่อโหลดหน้าเว็บซ้ำหรือโหลดหน้าเว็บที่คล้ายกันซึ่งใช้เนื้อหาเดียวกันเป็นส่วนใหญ่ เนื้อหานั้นสามารถให้บริการจากแคชแทนที่จะเป็นเว็บเซิร์ฟเวอร์ ไม่เพียงหมายความว่าหน้าเว็บสามารถโหลดได้เร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดภาระบนเว็บเซิร์ฟเวอร์และลดปริมาณข้อมูลที่ผู้ใช้จำเป็นต้องดาวน์โหลดซึ่งอาจมีความสำคัญต่อการเชื่อมต่อแบบมีมิเตอร์

RAM เองยังทำหน้าที่เป็นแคชอ่านข้อมูลในฮาร์ดไดรฟ์ ในกรณีนี้ ข้อมูลสำหรับโปรแกรมที่ทำงานอยู่จะถูกโหลดล่วงหน้าลงใน RAM เพื่อให้ CPU สามารถเข้าถึงได้เร็วขึ้น จากนั้นข้อมูลจาก RAM จะถูกแคชเพิ่มเติมไปยังแคชของ CPU แม้ว่ากระบวนการนี้จะซับซ้อนกว่ามากเนื่องจากแคชของ CPU วัดเป็นเมกะไบต์ไม่ใช่กิกะไบต์

เขียนแคช

แคชการเขียนคือแคชที่สามารถดูดซับข้อมูลที่กำลังเขียนไปยังอุปกรณ์ที่ช้ากว่า ตัวอย่างทั่วไปคือแคช SLC ใน SSD สมัยใหม่ แคชนี้ไม่อนุญาตให้อ่านข้อมูลเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม การเขียนข้อมูลจะเร็วกว่าการเขียนไปยังแฟลช TLC หรือ QLC ที่ประกอบขึ้นเป็นส่วนที่เหลือของ SSD แคช SLC สามารถดูดซับการดำเนินการเขียนด้วยความเร็วสูง จากนั้นจึงถ่ายโอนข้อมูลนั้นไปยังแฟลช TLC ทันทีที่สามารถทำได้ ซึ่งให้ความหนาแน่นของพื้นที่จัดเก็บที่ดีกว่ามาก แต่ก็เขียนได้ช้ากว่ามากเช่นกัน การใช้หน่วยความจำแฟลชในลักษณะนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทั้งความเร็วในการเขียนที่รวดเร็วและความหนาแน่นของพื้นที่จัดเก็บสูง

แคชแบบไฮบริด

มีหลายวิธีในการจัดการแคชที่สามารถอนุญาตให้ทำหน้าที่เป็นทั้งแคชอ่านและเขียน แต่ละเมธอดเหล่านี้จัดการการดำเนินการเขียนที่แตกต่างกันและมีข้อดีและข้อเสีย ตัวเลือกสามตัวเลือก ได้แก่ การเขียนรอบ การเขียนผ่าน และการเขียนกลับ แคชการเขียนรอบจะข้ามแคชทั้งหมดเมื่อเขียน แคชการเขียนผ่านจะเขียนไปยังแคช แต่จะถือว่าการดำเนินการเสร็จสมบูรณ์เมื่อเขียนไปยังหน่วยเก็บข้อมูลเท่านั้น แคชการเขียนกลับจะเขียนไปยังแคช จากนั้นถือว่าการดำเนินการเสร็จสิ้น โดยอาศัยแคชในการถ่ายโอนแคชไปยังที่เก็บข้อมูล หากจำเป็น

การเขียนรอบอาจมีประโยชน์หากคุณคาดว่าจะมีการเขียนจำนวนมาก เนื่องจากจะช่วยลดการเลิกใช้แคช อย่างไรก็ตาม หมายความว่าการดำเนินการที่อ่านข้อมูลที่เขียนนั้นจะเผชิญกับแคชอย่างน้อยหนึ่งตัวที่พลาดในครั้งแรก แคชการเขียนผ่านทันที การดำเนินการเขียนแคชหมายความว่าสามารถแสดงผลลัพธ์จากแคชในครั้งแรกที่ได้รับการร้องขอ เพื่อให้ถือว่าเสร็จสมบูรณ์ การดำเนินการเขียนจำเป็นต้องเขียนข้อมูลลงดิสก์ด้วย ซึ่งจะเพิ่มเวลาแฝง แคชการเขียนกลับมีประโยชน์เช่นเดียวกับการเขียนผ่าน ทำให้ข้อมูลที่เขียนสามารถให้บริการได้ทันทีจากแคช ไม่จำเป็นต้องดำเนินการเขียนเพื่อเขียนลงดิสก์จึงจะถือว่าเสร็จสมบูรณ์ สิ่งนี้ช่วยลดเวลาแฝงในการเขียน แต่มีความเสี่ยงที่ข้อมูลจะสูญหายหากแคชมีความผันผวนและเขียนข้อมูลกลับไปที่สตอเรจไม่เสร็จก่อนที่ไฟฟ้าจะดับ

จะลบข้อมูลออกจากแคชได้อย่างไร?

หนึ่งในปัจจัยจำกัดของแคชคือความจุ แคชขนาดใหญ่ใช้เวลาในการค้นหานาน เป็นการลบล้างข้อดีของการใช้แคชตั้งแต่แรก เทคโนโลยีหน่วยความจำที่ใช้สำหรับการแคชมักจะมีราคาแพงกว่าหน่วยความจำที่แคชมา หากไม่เป็นเช่นนั้น มีแนวโน้มว่าระดับหน่วยความจำนั้นจะเปลี่ยนเทคโนโลยีหน่วยความจำเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ทั้งสองปัจจัยนี้หมายความว่าแคชมักจะค่อนข้างเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับสื่อเก็บข้อมูลที่พวกเขาใช้แคช RAM มีความจุน้อยกว่าที่เก็บข้อมูลและแคชของ CPU มีความจุน้อยกว่า RAM แคช SLC มีความจุน้อยกว่าหน่วยความจำ TLC

ทั้งหมดนี้หมายความว่าบ่อยครั้งจำเป็นต้องวนข้อมูลออกจากแคชเพื่อเพิ่มพื้นที่ว่างสำหรับข้อมูลใหม่ที่ต้องแคช มีแนวทางที่แตกต่างกันมากมายสำหรับสิ่งนี้ “ใช้บ่อยน้อยที่สุด” ต้องการลบรายการแคชที่มีจำนวนการเข้าถึงต่ำที่สุด สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับการคาดคะเนว่ารายการใดจะมีผลน้อยที่สุดต่อการพลาดแคชในอนาคต แต่จะนับรวมรายการที่เพิ่มเข้ามาเมื่อเร็วๆ นี้ว่ามีจำนวนการเข้าถึงต่ำ ซึ่งอาจนำไปสู่การเลิกใช้แคช

“ใช้ล่าสุดล่าสุด” ต้องการลบรายการแคชที่ไม่ได้ใช้มาระยะหนึ่งแล้ว สิ่งนี้ถือว่าไม่ได้ถูกใช้งานในปัจจุบัน แต่จะไม่พิจารณาว่าพวกมันถูกใช้งานอย่างหนักในช่วงที่ผ่านมาหรือไม่ “ใช้ล่าสุด” ต้องการลบรายการแคชที่ใช้ล่าสุด โดยถือว่าใช้ไปแล้วและไม่จำเป็นต้องใช้อีก แนวทางที่ดีที่สุดโดยทั่วไปคือการรวมกันของทั้งสามโดยแจ้งจากสถิติการใช้งาน

ข้อมูลเก่าและความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

ความเสี่ยงหลักของแคชคือข้อมูลที่มีอยู่อาจเก่า รายการแคชจะถือว่าเก่าเมื่อข้อมูลต้นฉบับได้รับการอัปเดตโดยปล่อยให้รายการแคชล้าสมัย สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอว่าสำเนาที่ใช้งานอยู่ยังคงตรงกับสำเนาที่แคชไว้

โดยเฉพาะในเว็บไซต์ สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือการระบุว่าข้อมูลใดบ้างที่สามารถแคชได้และไม่สามารถแคชได้ ตัวอย่างเช่น เป็นเรื่องปกติที่จะแคชไฟล์ JavaScript ที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้ไม่ต้องดาวน์โหลดทุกครั้ง และยังเป็นประโยชน์ต่อผู้ใช้รายอื่นที่ให้บริการโดยแคชเดียวกัน คุณไม่สามารถแคชข้อมูลเฉพาะเซสชันได้ ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากคุณเรียกดูแอปรับส่งข้อความในขณะที่ลงชื่อเข้าใช้ด้วยตัวคุณเอง แล้วพบว่าคุณได้รับข้อความของผู้ใช้อื่นในเวอร์ชันแคช โชคดีที่เว็บเซิร์ฟเวอร์สามารถระบุทรัพยากรที่สามารถแคชได้และไม่สามารถแคชได้ และโดยทั่วไปแล้วปัญหาเหล่านี้เป็นที่ทราบกันดี ดังนั้นจึงมีปัญหาเล็กน้อยเช่นนี้

บทสรุป

แคชคือส่วนหนึ่งของหน่วยความจำที่สามารถจัดเก็บข้อมูลที่ใช้ล่าสุดบางส่วนในวิธีการจัดเก็บข้อมูลที่เข้าถึงได้เร็วกว่าที่จะทำกระบวนการเข้าถึงข้อมูลตามปกติอีกครั้ง โดยทั่วไปแล้วแคชจะมีความจุจำกัด หมายความว่าจำเป็นต้องลบรายการเมื่อแคชเต็ม โดยทั่วไป แคชจะโปร่งใสสำหรับผู้ใช้ หมายความว่าเวลาแฝงเป็นเพียงตัวบ่งชี้ว่าผลลัพธ์ถูกแสดงผ่านแคช