读写分离、分库分表、反范式化、采用 NoSQL……如果这些扩展手段全都上了，数据响应依旧越来越慢，还有什么解决办法吗？
有，加缓存。 利用缓存层来吸收不均匀的负载和流量高峰。

在哪儿加缓存

理论上，在数据层之前的任意一层加缓存都能够阻挡流量，减少最终抵达数据库的操作请求：

按缓存所处位置分为 4 种：

• 客户端缓存：包括HTTP 缓存、浏览器缓存等
• Web 缓存：例如CDN、反向代理服务等
• 应用层缓存：例如Memcached、Redis等键值存储
• 数据库缓存：一些数据库提供了内置的缓存支持，比如查询缓存（query cache）

为了减轻数据库的负载，我们在应用程序和数据存储之间加个键值存储作为缓冲层：通过内存中缓存的数据来响应一部分请求，而不必实际执行查库操作，从而提升数据响应速度。

缓存什么内容

• Cached Database Queries：缓存原始查库结果
• Cached Objects：缓存应用程序中的数据模型，比如重新组装过的数据集，或者整个数据模型类实例

缓存原始查库结果

根据查询语句生成key，将查库结果缓存起来，例如：

key = "user.%s" % user_id
user_blob = memcache.get(key)
if user_blob is None:user = mysql.query("SELECT * FROM users WHERE user_id=\"%s\"", user_id)if user:memcache.set(key, json.dumps(user))return user
else:return json.loads(user_blob)

这种模式的主要缺陷在于难以处理缓存过期，因为数据与key（即查询语句）之间并没有明确的关联，数据发生变化后，很难精确地删掉缓存中的所有相关条目。试想，一个单元格发生变化，会影响哪些查询语句？
尽管如此，这仍然是最常用的缓存模式，因为可以做出妥协，比如：

• 只缓存与查询语句有直接关联的数据，排序、统计、筛选之类的计算结果统统都不存了
• 不求精确，把所有可能受影响的缓存条目都删掉

缓存数据对象

另一种思路是将应用程序中的数据模型对象缓存起来，这样原始数据与缓存之间就有了逻辑关联，从而轻松解决缓存更新的难题。
无论数据是如何查询，如何加工转换的，只把最终得到的数据模型对象缓存起来，原始数据发生变化时，直接把相应的数据对象整个移除。对应用程序而言，数据对象比原始数据更容易管理和维护，因此，建议缓存数据对象，而不是原始数据。

怎么查询缓存结果

常见的缓存数据访问策略有 6 种：

• Cache-aside/Lazy loading：预留缓存
• Read-through：直读式
• Write-through：直写式
• Write-behind/Write-back：回写式
• Write-around：绕写式
• Refresh-ahead：刷新式

预留缓存模式

数据请求优先走缓存，未命中缓存时才查库，并把结果缓存起来，所以缓存是按需的（Lazy loading），只有实际访问过的数据才会被缓存起来。缓存与数据库之间没有直接关系（缓存位于一旁，所以叫 Cache-aside），由应用程序将需要的数据从数据库中读出并填充到缓存中。
主要问题在于：

• 未命中缓存时需要 3 步，延迟不容忽视（对于冷启动可以手动预热）
• 缓存可能会变旧（一般通过设置 TTL 来强制更新）

直读模式

直读模式下，缓存挡在数据库之前，应用程序不与数据库直接交互，而是直接从缓存中读取数据。
未命中缓存时，由缓存负责查库，并自己缓存起来。与预留缓存唯一的区别在于查库的工作由缓存来完成，而不是应用程序。

直写模式

类似于直读模式，缓存也挡在数据库之前，数据先写到缓存，再写入数据库。
也就是说，所有写操作必须先经过缓存。
一般与直读式缓存相结合，虽然写操作多过一层缓存（存在额外的延迟），但保证了缓存数据的一致性（避免缓存变旧）。此时，缓存就像数据库的代理，读写都走缓存，缓存再查库或将写操作同步到数据库。

回写式缓存

与直写式唯一的区别在于异步写入数据库，进而允许批处理以及写操作合并。同样能够与直读式缓存结合使用，而且不存在直写式中写操作的性能问题，但仅保证最终一致性。

绕写式缓存

所谓绕写式缓存就是写操作不经过（绕过）缓存，由应用程序直接写入数据库，仅缓存读操作。可与预留缓存或直读缓存结合使用：

提前刷新模式

提前刷新，在缓存过期之前，自动刷新（重新加载）最近访问过的条目。甚至可以通过预加载来减少延迟，但如果预测不准反而会导致性能下降。

缓存满了如何处理

当然，缓存空间是极其有限的，所以还要有逐出策略（Eviction Policy），从缓存中剔除一些不太可能用到的条目，常用策略如下：

• LRU（Least Recently Used）：最常用的一种策略，根据程序运行时的局部性原理，在一段时间内，大概率访问相同的数据，所以将最近没有用到的数据剔除出去
• LFU（Least Frequently Used）：根据使用频率，将最不常用的数据剔除出去
• MRU（Most Recently Used）：在有些场景下，需要删掉最近用过的条目
• FIFO（First In, First Out）：先进先出，剔除最早访问过的数据

参考

http://www.ayqy.net/blog/caching/