caching چیست؟ چگونه caching کنیم؟

تجارت به شدت در همین حال، معماری نرم افزار به طور فزاینده ای پیچیده شده است و تعداد کاربران آنها به طور تصاعدی افزایش یافته است. این یک چالش عملکرد برای هر برنامه ای است که  عملکرد کند می تواند اهداف استراتژیک هر شرکتی را تضعیف کند، به همین دلیل است که یافتن راه های هوشمند برای بهبود آن بسیار مهم است. در نتیجه، اجتناب از سربار و کاهش زمان بازیابی و پردازش داده ها ضروری شده است. اینجاست که کش وارد عمل می شود و چرا هیچ توسعه دهنده ای دیگر نمی تواند آن را نادیده بگیرد. در ابتدا، ما به مفهوم ذخیره سازی، درک چرایی اهمیت آن و خطرات احتمالی مربوط به آن خواهیم پرداخت. سپس به بررسی مهم ترین انواع کش می پردازیم.

Caching چیست؟

Caching   فرآیند ذخیره سازی داده ها در حافظه پنهان برای استفاده های بعدی است، به منظور بهبود عملکرد و کاهش نیاز به محاسبات مکرر یا بازیابی داده ها. کش را می توان در جنبه های مختلف توسعه وب، از جمله کش مرورگر، کش سمت سرور و کش در سطح برنامه اعمال کرد.

کش مکانیزمی برای بهبود عملکرد هر نوع برنامه ای است. از نظر فنی، کش فرآیند ذخیره سازی و دسترسی به داده ها از یک کش است.  کش یک نرم‌افزار یا جزء سخت‌افزاری است که هدف آن ذخیره‌سازی داده‌ها است تا درخواست‌های آینده برای همان داده‌ها سریع‌تر ارائه شوند.

دلیل اصلی ایجاد Caching این است که دسترسی به داده ها از حافظه های پایدار زمان قابل توجهی را می طلبید بنابراین، هر زمان که داده ها بازیابی یا پردازش می شوند، باید در یک حافظه کارآمدتر ذخیره شوند. ما به چنین حافظه کشی می گوییم که می تواند به عنوان یک لایه ذخیره سازی داده با سرعت بالا در نظر گرفته شود که هدف اصلی آن کاهش نیاز به دسترسی به لایه های ذخیره سازی داده های کندتر است. برای مقرون به صرفه بودن و کارآمد بودن، کش ها باید نسبتاً کوچک باشند، به خصوص اگر با حافظه های سنتی مقایسه شوند. به همین دلیل است که آنها معمولاً با استفاده از سخت افزار دسترسی سریع مانند RAM (حافظه دسترسی تصادفی) به همراه یک جزء نرم افزاری پیاده سازی می شوند.

به لطف Caching  ، امکان پیاده‌سازی مکانیزمی برای استفاده مجدد کارآمد از داده‌های بازیابی یا محاسبه‌شده قبلی وجود دارد. هر زمان که درخواست جدیدی وارد شود، داده های درخواستی ابتدا در حافظه پنهان جستجو می شوند. فایده  کش زمانی اتفاق می افتد که داده های درخواستی را بتوان در یک کش پیدا کرد. برعکس، از دست دادن حافظه پنهان زمانی رخ می دهد که نتواند. بدیهی است که خواندن داده های مورد نیاز از کش ها سریعتر از محاسبه مجدد نتیجه یا خواندن آن از ذخیره اصلی داده فرض می شود. بنابراین، هرچه بتوان درخواست های بیشتری را از یک حافظه پنهان ارائه کرد، سرعت سیستم بیشتر خواهد شد.

در نتیجه، کش کردن یک راه نسبتاً ساده برای دستیابی به بهبود عملکرد است.

چرا Caching مهم هست؟

حافظه پنهان بسیار مهم است زیرا به توسعه دهندگان اجازه می دهد تا به بهبود عملکرد  طور قابل توجهی دست یابند. .

به طور خاص، نه کاربران و نه توسعه‌دهندگان نمی‌خواهند برنامه‌ها برای پردازش درخواست‌ها زمان زیادی ببرد. به‌عنوان توسعه‌دهندگان، می‌خواهیم کارآمدترین نسخه برنامه‌های خود را مستقر کنیم. و به عنوان کاربر، ما حاضریم فقط برای چند ثانیه و گاهی حتی میلی ثانیه صبر کنیم. حقیقت این است که هیچ کس دوست ندارد وقت خود را برای بارگذاری پیام ها تلف کند.

بعلاوه، اهمیت ارائه عملکرد بالا به قدری حیاتی است که حافظه پنهان به سرعت به یک مفهوم اجتناب ناپذیر در فناوری رایانه تبدیل شده است. این بدان معناست که سرویس‌های بیشتری از آن استفاده می‌کنند و عملاً در همه جا حاضر می‌شوند. در نتیجه، اگر بخواهیم با انبوه برنامه های کاربردی موجود در بازار رقابت کنیم، باید سیستم های کش را به درستی پیاده سازی کنیم. علاوه بر این، توضیح دادن به کاربران که چرا سیستم‌های ما کند هستند می‌تواند نشان دهنده یک مشکل باشد.

یکی دیگر از جنبه های مهم حافظه پنهان این است که به ما امکان می دهد از درخواست های جدید یا پردازش مجدد داده ها در هر بار اجتناب کنیم. به طوری که می توانیم از سربار مانند سربار شبکه جلوگیری کنیم و استفاده از CPU را کاهش دهیم، به خصوص اگر درخواست ها شامل جزئیات پیچیده باشد. این می تواند عمر ماشین ها یا سرورهای ما را افزایش دهد. به علاوه، اجتناب از درخواست‌های جدید، حجم کلی درخواست‌های مورد نیاز را کاهش می‌دهد، که ممکن است هزینه زیرساخت شما را کاهش دهد. در واقع، برای مثال، زمانی که با پلتفرم‌های Cloud یا ارائه‌دهندگان API عمومی سروکار داریم، معمولاً برای هر گونه ارتباط شبکه‌ای بین سرویس‌های آن‌ها صورت‌حساب دریافت می‌شود. 

در اینجا چند روش مختلف برای انجام کش وجود دارد:

• Browser Caching:

مرورگرها می‌توانند فایل‌های استاتیک، مانند HTML، CSS، جاوا اسکریپت و تصاویر را در حافظه پنهان نگه دارند. با تنظیم هدرهای کش مناسب (به عنوان مثال، هدرهای Cache-Control و Expires)، می توانید مدت زمانی که مرورگر باید این منابع را در حافظه پنهان نگه دارد، کنترل کنید. این اجازه می دهد تا بارگذاری صفحات بعدی سریعتر باشد زیرا مرورگر می تواند به جای درخواست شبکه، فایل ها را از حافظه پنهان محلی خود بازیابی کند.

• Server-Side Caching:

در سمت سرور، می‌توانید مکانیسم‌های کش را برای ذخیره محتوای پویا که مرتباً تغییر نمی‌کند، پیاده‌سازی کنید. این می تواند شامل کش کردن نتایج جستجوی پایگاه داده، پاسخ های API یا قطعات HTML ارائه شده باشد. با ذخیره سازی داده ها، می توانید از محاسبات گران قیمت یا پرس و جوهای پایگاه داده جلوگیری کنید و محتوای کش شده را مستقیماً ارائه دهید و زمان پاسخگویی را بهبود بخشیده و بار سرور را کاهش دهید.

• Application-Level Caching:

در کد برنامه خود، می توانید کش را برای داده ها یا محاسبات خاص که گران یا وقت گیر هستند پیاده سازی کنید. به عنوان مثال، می‌توانید نتایج محاسبات پیچیده، داده‌های با دسترسی مکرر یا پاسخ‌های API شخص ثالث را در حافظه پنهان ذخیره کنید. این کار را می توان با استفاده از کتابخانه های حافظه پنهان یا سیستم های ذخیره سازی توزیع شده مانند Redis انجام داد.

در React، می‌توانید از React Context برای پیاده‌سازی حافظه پنهان در سطح برنامه استفاده کنید:

چالش های  caching:

ذخیره سازی به هیچ وجه یک عمل ساده نیست و چالش های اجتناب ناپذیری در ذات موضوع وجود دارد. بیایید چند تا از آن ها را بررسی کنیم.

• Coherence Problem:

از آنجایی که هر زمان که داده ها کش می شوند، یک کپی ایجاد می شود، اکنون دو نسخه از همان داده وجود دارد. این بدان معنی است که آنها می توانند در طول زمان از هم جدا شوند. در چند کلمه، این مشکل انسجام است که نشان دهنده مهم ترین و پیچیده ترین موضوع مربوط به ذخیره سازی است. راه حل خاصی وجود ندارد که بر دیگری ترجیح داده شود و بهترین رویکرد به نیازها بستگی دارد. شناسایی بهترین به روز رسانی کش یا مکانیسم عدم اعتبار یکی از بزرگترین چالش های مربوط به کش و شاید یکی از سخت ترین چالش ها در علوم کامپیوتر است.

• Choosing Data to Be Cached:

تقریباً هر نوع داده ای را می توان کش کرد. این بدان معنی است که انتخاب چه چیزی باید در حافظه پنهان ما باشد و چه چیزی را حذف کنیم، امکان بی پایانی دارد. بنابراین، ممکن است به یک تصمیم بسیار پیچیده تبدیل شود. برای مقابله با این مشکل، برخی از جنبه ها وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. اولاً، اگر انتظار داریم داده‌ها اغلب تغییر کنند، نباید آن‌ها را برای مدت طولانی در حافظه پنهان نگه داریم. در غیر این صورت، ممکن است داده های نادرست را به کاربران ارائه دهیم. از سوی دیگر، این به این بستگی دارد که چقدر زمان می توانیم داده های قدیمی را تحمل کنیم. دوم، حافظه پنهان ما باید همیشه آماده باشد تا داده‌های اغلب مورد نیاز را ذخیره کند که زمان زیادی برای تولید یا بازیابی نیاز دارد. شناسایی این داده ها کار آسانی نیست و ممکن است خطر پر کردن حافظه پنهان ما با داده های بی فایده را داشته باشید. سوم، با ذخیره داده های بزرگ، می توانید کش خود را خیلی سریع پر کنید، یا بدتر از آن، با استفاده از تمام حافظه موجود. اگر رم شما بین برنامه و سیستم کش شما به اشتراک گذاشته شود، به راحتی می تواند مشکل ساز شود، به همین دلیل است که باید مقدار RAM خود را که برای ذخیره سازی ذخیره می شود محدود کنید.

• Caching Strategies:

 انتخاب استراتژی‌های مختلف ذخیره‌سازی را می‌توان بر اساس مورد استفاده خاص شما به کار گرفت. این موارد می تواند :

time-based expiration, least-recently-used (LRU) eviction policies, cache partitioning

نتیجه گیری:

در این مقاله به این موضوع پرداختیم که حافظه پنهان چیست و چرا در علوم کامپیوتر اهمیت فزاینده ای پیدا کرده است. در عین حال، دست کم نگرفتن تهدیدها و خطرات ناشی از حافظه پنهان نیز حیاتی است. پیاده سازی یک سیستم ذخیره سازی به درستی تعریف شده کار آسانی نیست و نیاز به زمان و تجربه دارد. به همین دلیل است که دانستن مهم ترین انواع کش برای طراحی سیستم مناسب ضروری است. همانطور که نشان داده شده است، آنها را می توان به یک مجموعه بسیار محدود کاهش داد. تسلط بر همه آنها باید ماموریت هر توسعه دهنده باشد. در خاتمه، کش کردن یک مفهوم اجتناب ناپذیر است .

امیدوارم این مطالب کمی بهتون کمک کرده باشه:)

مهدیار جعفری