Tìm hiểu caching là gì, cách hoạt động như thế nào? Các ứng dụng của kỹ thuật này trong thực tiễn

Caching - một khái niệm quen thuộc trong lĩnh vực công nghệ, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu suất truy cập dữ liệu trên Internet. Đây không chỉ là một kỹ thuật, mà còn là một công cụ mạnh mẽ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và giảm thiểu tải trọng hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong một thế giới mà tốc độ truy cập và thời gian phản hồi ngắn đòi hỏi sự linh hoạt và hiệu quả. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về caching là gì, cách hoạt động và những ứng dụng thực tiễn của nó trong bài viết dưới đây.

Khái niệm caching là gì?

Caching là gì? Đây là một kỹ thuật quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất truy xuất dữ liệu và giảm tải cho hệ thống. Nó dựa trên việc lưu trữ một bản sao của dữ liệu hay kết quả tính toán trước đó trong một vùng nhớ tạm gọi là cache. Khi có yêu cầu truy xuất dữ liệu, hệ thống sẽ kiểm tra cache trước để xem liệu dữ liệu đã được lưu trữ trong cache hay chưa. Nếu có, dữ liệu sẽ được trả về nhanh chóng từ cache mà không cần truy cập lại nguồn gốc, giúp tiết kiệm thời gian và tăng tốc độ truy xuất. Caching đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà dữ liệu thay đổi chậm hoặc không thay đổi trong một khoảng thời gian nhất định, giúp tránh việc truy xuất dữ liệu từ nguồn gốc một cách lặp lại không cần thiết.

Cách thức hoạt động của caching

Sau khi hiểu caching là gì qua định nghĩa trên, tiếp theo đây ta sẽ cùng tìm hiểu về cách thức hoạt động của caching nhé!

Bộ nhớ cache thường lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM). Mục tiêu chính của cache là tăng hiệu suất trong việc truy cập dữ liệu. Cache thường chứa một phần nhỏ của dữ liệu cần thiết, được lưu trữ tạm thời để giảm thiểu thời gian truy xuất.

RAM và In-Memory Engines

RAM và các công cụ In-Memory Engines đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cache và cải thiện hiệu suất truy xuất dữ liệu. Khi có tốc độ request cao hoặc yêu cầu IOPS cao, sử dụng RAM và In-Memory Engines trong việc lưu trữ cache giúp tăng cường hiệu suất và giảm chi phí scale. So với việc scale hệ thống database và phần cứng truyền thống, việc sử dụng In-Memory cache tiết kiệm tài nguyên và mang lại hiệu suất nhanh chóng với độ trễ thấp.

Thông qua việc lưu trữ dữ liệu trong RAM, cache cho phép truy xuất nhanh chóng và có độ trễ thấp hơn so với việc truy xuất từ đĩa cứng. Điều này đồng nghĩa với việc cải thiện hiệu suất truy xuất dữ liệu và tăng tốc độ xử lý. Vì vậy, khi ứng dụng gặp yêu cầu về tốc độ request cao hoặc IOPS cao, sử dụng In-Memory cache giúp đáp ứng yêu cầu này một cách hiệu quả.

Thay vì phải đầu tư nhiều tài nguyên vào việc scale hệ thống database và phần cứng truyền thống, sử dụng In-Memory cache giúp giảm chi phí và tận dụng tối đa hiệu suất của RAM và In-Memory Engines. Việc này giúp cải thiện hiệu suất truy xuất dữ liệu mà vẫn giữ được độ trễ thấp, đáp ứng yêu cầu về tốc độ và giảm tải cho hệ thống.

Các ứng dụng của kỹ thuật caching

Các ứng dụng khác nhau có thể triển khai cache ở các tầng khác nhau của hệ thống. Cache có thể được áp dụng trong các hệ điều hành, mạng lưới bao gồm Content Delivery Networks (CDN) và DNS, ứng dụng web và cơ sở dữ liệu. Việc sử dụng cache giúp giảm đáng kể độ trễ và cải thiện IOPS cho các ứng dụng có khối lượng công việc lớn như các trang web Q&A, trò chơi điện tử, dịch vụ chia sẻ phương tiện và mạng xã hội. Dữ liệu được lưu trong cache có thể bao gồm kết quả của các truy vấn cơ sở dữ liệu, yêu cầu và phản hồi thông qua giao diện lập trình ứng dụng (API), cũng như các tệp HTML, JavaScript và hình ảnh của trang web. Các công việc tính toán thao tác với các tập dữ liệu, chẳng hạn như các tính toán có hiệu suất cao, cũng được hưởng lợi từ việc sử dụng dữ liệu In-Memory tương tự như cache. Trong các ứng dụng này, việc truy cập các tập dữ liệu lớn theo thời gian thực trên hàng trăm nút máy tính có thể quét là một yếu tố quan trọng. Do tốc độ của phần cứng còn hạn chế, việc thao tác với dữ liệu trong cơ sở dữ liệu dựa trên đĩa cứng trở thành một yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng này.

Tận dụng cache trong môi trường điện toán phân tán

Trong môi trường điện toán phân tán DCE (distributed computing environment), việc sử dụng caching cho phép các hệ thống và ứng dụng hoạt động độc lập mà không ảnh hưởng đến cache. Cache đóng vai trò là một lớp trung gian có thể được truy cập từ các hệ thống khác nhau với cấu trúc và quy tắc riêng của nó. Điều đặc biệt quan trọng là các nút có thể tự động mở rộng trong một hệ thống. Tuy nhiên, nếu cache và ứng dụng hoặc hệ thống sử dụng cache đó nằm trên cùng một nút, việc mở rộng có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cache. Trong khi sử dụng cache cục bộ (local cache), nó chỉ hữu ích cho ứng dụng cục bộ trong việc truy xuất dữ liệu. Trong môi trường điện toán phân tán, dữ liệu có thể được sử dụng trên nhiều máy chủ cache và được lưu trữ tại vị trí trung tâm để hữu ích cho tất cả các địa điểm sử dụng dữ liệu đó.

Các nguyên tắc tốt nhất khi sử dụng caching

Khi bạn sử dụng cache, điều quan trọng là hiểu rõ dữ liệu được lưu trữ trong cache có còn hợp lệ hay không. Một cache "thành công" là khi dữ liệu đã tồn tại trong cache từ trước khi được yêu cầu. Ngược lại, cache gặp lỗi khi dữ liệu không tồn tại trong cache và phải được truy xuất từ nguồn gốc.

Để quản lý thời gian tồn tại của dữ liệu trong cache, bạn có thể sử dụng các điều khiển như TTLs (Time to live). TTLs cho phép bạn thiết lập thời gian mà dữ liệu được lưu trữ trong cache trước khi bị xóa. 

Trong môi trường cache phân tán, việc sử dụng các công cụ như Redis có thể giúp tăng tính sẵn sàng của cache. Redis là một "In-Memory Engine" cho phép lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ và cung cấp khả năng quản lý cache mạnh mẽ.

Khi thiết kế một hệ thống sử dụng cache, bạn cần xác định RTO (Recovery Time Objective) - thời gian cần để khôi phục hệ thống sau khi xảy ra sự cố, và RPO (Recovery Point Objective) - điểm cuối cùng hoặc giao dịch cuối cùng được ghi lại trong quá trình khôi phục. Điều này giúp xác định liệu dữ liệu trong In-Memory Engine có thể đáp ứng yêu cầu của hệ thống hay không.

Với việc lựa chọn và sử dụng các In-Memory Engine phù hợp, bạn có thể đáp ứng các yêu cầu về thời gian khôi phục và tính toàn vẹn dữ liệu của hệ thống.

Ghi chú:

• Header Cache HTTP: Đầu vào thông tin lưu trữ tạm thời trên trình duyệt để tăng tốc độ truy xuất nội dung web.
• Máy chủ DNS: Hệ thống phân giải tên miền, chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP.
• CDNs: Dịch vụ mạng phân phối nội dung, giúp tăng tốc độ truy cập nội dung web.
• Reverse Proxies: Các máy chủ trung gian giữa máy chủ web và máy khách, giúp cải thiện hiệu suất và bảo mật.
• Web Accelerators: Công cụ tăng tốc độ truy xuất nội dung web, thường sử dụng bộ nhớ cache.
• Key/Value Stores: Hệ thống lưu trữ dữ liệu theo cặp khóa/giá trị.
• Các Framework Ứng dụng: Framework phát triển ứng dụng, hỗ trợ tăng hiệu suất và quản lý dữ liệu.
• ElastiCache cho Redis: Dịch vụ cache dựa trên Redis của Amazon ElastiCache.
• ElastiCache cho Memcached: Dịch vụ cache dựa trên Memcached của Amazon ElastiCache.

Cải thiện hiệu suất ứng dụng web với Amazon ElastiCache

Amazon ElastiCache là một dịch vụ web giúp việc triển khai, vận hành và mở rộng việc lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ hoặc cache trong môi trường đám mây trở nên dễ dàng hơn. Dịch vụ này tăng cường hiệu suất của các ứng dụng web bằng cách cho phép truy xuất thông tin từ các kho lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ nhanh hơn, thay vì phải dựa hoàn toàn vào cơ sở dữ liệu lưu trữ trên đĩa.

Lợi ích của việc sử dụng caching bao gồm:

• Cải thiện hiệu suất của ứng dụng: Bằng cách lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ cache, ElastiCache giúp giảm thời gian truy cập dữ liệu và cải thiện tốc độ xử lý của ứng dụng.
• Giảm chi phí cho việc thiết lập cơ sở dữ liệu: Sử dụng cache giúp giảm tải cho cơ sở dữ liệu chính, từ đó giảm chi phí cho việc mở rộng cơ sở dữ liệu và tăng cường khả năng mở rộng của hệ thống.
• Cải thiện đáng kể thời gian xử lý trong các tình huống tăng tải đột biến: Bằng việc lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ cache, ElastiCache giúp giảm tải cho backend và cung cấp thời gian xử lý nhanh hơn trong các tình huống tải cao.
• Tăng thông lượng đọc (IOPS): Với việc sử dụng caching, ElastiCache tăng cường khả năng đọc dữ liệu từ bộ nhớ, từ đó tăng thông lượng đọc (IOPS) của hệ thống.

Với các lợi ích trên, Amazon ElastiCache là một công cụ hữu ích để tối ưu hiệu suất và giảm tải cho các ứng dụng web trong môi trường điện toán đám mây.

Tạm kết

Hy vọng qua nội dung bài viết, bạn đã hiểu rõ hơn về khái niệm caching là gì và cách thức hoạt động của cache, cũng như nhận thức được sức mạnh của phương pháp này trong việc tối ưu hiệu suất và giảm tải cho các hệ thống công nghệ. Từ việc lưu trữ dữ liệu tạm thời trong bộ nhớ đến việc sử dụng các công cụ In-Memory Engine và Amazon ElastiCache, cache đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất ứng dụng web và giảm chi phí vận hành hệ thống. Việc hiểu caching là gì và áp dụng các nguyên tắc tốt nhất khi sử dụng cache cũng là một yếu tố quan trọng giúp đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và khả năng khôi phục hệ thống sau khi có sự cố. Trong bối cảnh ngày nay, khi yêu cầu về tốc độ và hiệu suất ngày càng cao, caching là một kỹ thuật mạnh mẽ không thể thiếu trong hệ thống công nghệ thông tin hiện đại.

Xem thêm

• Powtoon là gì? Định nghĩa và tổng quan về công cụ biên tập video chuyên nghiệp Powtoon
• Spoofing là gì? Những hình thức lừa đảo Spoofing và cách thức để phòng tránh

Nếu bạn muốn tìm một phương pháp để lưu trữ dữ liệu của bạn một cách an toàn và bảo mật, một giải pháp lưu trữ di động tiện lợi có thể mang theo bất kỳ khi nào và ở bất kỳ đâu, một ổ cứng dung lượng lớn để lưu trữ hình ảnh và video chất lượng cao, và một thương hiệu uy tín với chế độ bảo hành tốt, thì USB & Ổ cứng tại FPT Shop chính là sự lựa chọn hoàn hảo dành cho bạn! Hãy ghé trực tiếp hoặc truy cập trang chủ của FPT Shop ngay hôm nay để khám phá các sản phẩm USB & Ổ cứng chất lượng, đảm bảo an toàn và tiện lợi cho việc lưu trữ dữ liệu của bạn!

USB - Ổ cứng