Caching là gì? Định nghĩa và cách hoạt động như thế nào ?

Theo dõi Thuevpsgiare.vn trên Google News
  • Home
  • Blog
  • Caching là gì? Định nghĩa và cách hoạt động như thế nào ?
Th1 17, 2025

Rate this post

Bạn đã bao giờ cảm thấy bực bội khi phải chờ đợi một trang web tải quá lâu? Hoặc khi một ứng dụng liên tục phải tải lại dữ liệu mỗi khi bạn mở nó? Caching chính là giải pháp giúp giải quyết vấn đề này. Vậy caching là gì? Tại sao nó lại quan trọng đến vậy? Hãy cùng Interdata khám phá trong bài viết này.

Caching là gì? Định nghĩa và khái niệm cơ bản

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.

Caching là gì?

Caching là gì?

Cách thức hoạt động của caching

Sau khi hiểu caching là gì qua định nghĩa trên, tiếp theo đây 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.

Lưu trữ dữ liệu trong RAM

Lưu trữ dữ liệu trong RAM

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 của kỹ thuật caching

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 (Input/Output Operations Per Second – Số lượng hoạt động vào/ra mỗi giây) cho các ứng dụng có khối lượng công việc lớn như các trang web Q&A (Hỏi & Đáp), 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, JavaScripthình 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 (trong bộ nhớ) 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.

Điện toán phân tán DCE

Điện toán phân tán DCE

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.

Chiến lược đọc dữ liệu:

1. Cache aside:

Chiến lược Cache aside còn được gọi là “Lazy Loading”. Trong chiến lược này, khi có yêu cầu truy cập dữ liệu, hệ thống sẽ trước tiên kiểm tra xem dữ liệu có tồn tại trong cache không. Nếu không, hệ thống sẽ truy xuất dữ liệu từ nguồn gốc (ví dụ: cơ sở dữ liệu) và sau đó lưu trữ vào cache trước khi trả về cho người dùng. Các bản cập nhật hoặc xóa dữ liệu trong cache thường được thực hiện dựa trên các sự kiện hoặc trạng thái của dữ liệu.

Chiến lược Cache Aside

Chiến lược Cache Aside

2. Read through:

Trong chiến lược Read Through, hệ thống sẽ luôn cố gắng truy cập dữ liệu từ cache trước khi truy cập nguồn gốc. Nếu dữ liệu không tồn tại trong cache hoặc đã hết hạn, hệ thống sẽ tự động truy cập nguồn gốc để lấy dữ liệu mới và sau đó lưu trữ vào cache trước khi trả về cho người dùng. Trong chiến lược này, quá trình đọc dữ liệu từ cache và quá trình truy cập nguồn gốc được tự động kết hợp với nhau một cách đồng nhất.

Chiến lược Read through

Chiến lược Read through

Chiến lược ghi dữ liệu:

1. Write around:

Chiến lược Write Around là một phương pháp trong việc quản lý cache, thường được sử dụng khi muốn tránh việc lưu trữ dữ liệu mới vào cache ngay khi nó được ghi vào nguồn gốc. Thay vào đó, dữ liệu mới được ghi trực tiếp vào nguồn gốc mà không được lưu trữ trong cache. Điều này thường được áp dụng cho các dữ liệu có kích thước lớn hoặc ít được truy cập, giúp tiết kiệm tài nguyên cache cho dữ liệu quan trọng hơn.

Chiến lược Write around

Chiến lược Write around

Khi dữ liệu được ghi vào nguồn gốc, chiến lược Write Around cho phép dữ liệu được truy cập trực tiếp từ nguồn gốc khi cần thiết, mà không cần phải lưu trữ trong cache. Điều này giảm bớt áp lực lên bộ nhớ cache và giúp tăng hiệu suất của hệ thống.

Tuy nhiên, mặc dù chiến lược Write Around giúp tránh việc lãng phí tài nguyên cache cho dữ liệu ít được truy cập, nhưng nó cũng có thể dẫn đến việc thời gian đáp ứng chậm hơn cho các yêu cầu truy cập dữ liệu mới ghi vào.

2. Write back

  • “Write Back” là một chiến lược caching được sử dụng để quản lý việc ghi dữ liệu vào cache trong hệ thống lưu trữ dữ liệu. Trong chiến lược này, khi có yêu cầu ghi dữ liệu, hệ thống sẽ ghi trực tiếp vào cache mà không đợi việc ghi vào nguồn gốc (ví dụ: cơ sở dữ liệu). Sau đó, hệ thống sẽ trả về kết quả ghi cho người dùng mà không cần chờ việc ghi vào nguồn gốc hoàn tất.
  • Cách tiếp cận này giúp tăng tốc độ ghi dữ liệu và giảm thời gian đáp ứng cho người dùng, bởi vì hệ thống không cần phải chờ đợi quá trình ghi vào nguồn gốc hoàn tất trước khi trả về kết quả. Thay vào đó, dữ liệu được lưu trữ tạm thời trong cache và sau đó được đồng bộ hóa với nguồn gốc trong một thời điểm sau này.
Chiến lược write back

Chiến lược write back

Tuy nhiên, điểm yếu của chiến lược này là có thể xảy ra mất dữ liệu nếu có sự cố xảy ra trước khi dữ liệu được đồng bộ hóa với nguồn gốc. Do đó, cần phải có các biện pháp bảo vệ dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong quá trình đồng bộ hóa. Chiến lược “Write Back” thường được sử dụng cho các tình huống yêu cầu hiệu suất cao và không cần thiết phải đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu ngay lập tức.

3. Write through:

  • Write Through là một chiến lược caching trong đó mỗi khi dữ liệu được ghi vào cache, nó cũng được ghi vào nguồn dữ liệu gốc (ví dụ: cơ sở dữ liệu) ngay lập tức. Điều này đảm bảo rằng dữ liệu trong cache và dữ liệu trong nguồn gốc luôn được cập nhật đồng bộ, giữ cho tính nhất quán của hệ thống.
  • Ưu điểm của chiến lược Write Through là đảm bảo tính nhất quán giữa dữ liệu trong cache và nguồn gốc, tránh tình trạng mất dữ liệu hoặc không nhất quán, giảm nguy cơ mất dữ liệu trong trường hợp xảy ra sự cố với hệ thống hoặc cache, giúp tăng hiệu suất cho việc đọc dữ liệu, vì dữ liệu mới nhất thường có sẵn trong cache.
Chiến lược ghi dữ liệu Write through

Chiến lược ghi dữ liệu Write through

Tuy nhiên, điểm yếu của chiến lược này là tăng chi phí về thời gian và băng thông mạng, do việc ghi dữ liệu vào nguồn gốc mỗi khi có yêu cầu ghi có thể tạo ra gánh nặng đối với hệ thống và cơ sở dữ liệu.

Lợi ích của caching:

Lợi ích của caching (bộ nhớ đệm) là vô cùng to lớn và đa dạng, ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của hệ thống, từ hiệu suất, trải nghiệm người dùng đến chi phí vận hành.

1. Tăng tốc độ truy cập dữ liệu:

Đây là lợi ích cốt lõi và dễ thấy nhất của caching. Bằng cách lưu trữ bản sao dữ liệu ở vị trí gần hơn với người dùng hoặc bộ xử lý, caching giảm thiểu đáng kể thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu.

  • Giảm độ trễ (latency): Độ trễ là khoảng thời gian từ khi yêu cầu được gửi đi đến khi phản hồi được nhận về. Khi dữ liệu được lưu trong cache, hệ thống không cần phải truy cập vào nguồn dữ liệu gốc (ví dụ: ổ cứng, cơ sở dữ liệu từ xa), do đó giảm thiểu đáng kể độ trễ. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi nhanh, như trò chơi trực tuyến, ứng dụng giao dịch tài chính, hoặc website thương mại điện tử.
  • Tăng tốc độ tải trang web: Đối với website, browser caching và CDN caching giúp lưu trữ các tài nguyên tĩnh như hình ảnh, CSS, JavaScript trên trình duyệt của người dùng hoặc trên các server CDN gần người dùng. Nhờ đó, website tải nhanh hơn đáng kể khi người dùng truy cập lại, cải thiện trải nghiệm người dùng và giảm tỷ lệ thoát trang.
  • Tăng tốc độ truy vấn cơ sở dữ liệu: Database caching giúp lưu trữ kết quả của các truy vấn cơ sở dữ liệu thường xuyên được sử dụng. Khi có yêu cầu truy vấn tương tự, hệ thống sẽ lấy kết quả từ cache thay vì phải thực hiện lại truy vấn tốn kém, giúp giảm tải cho cơ sở dữ liệu và tăng tốc độ xử lý.

2. Giảm tải cho hệ thống:

Caching không chỉ giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu mà còn giúp giảm tải cho các thành phần khác của hệ thống, đặc biệt là nguồn dữ liệu gốc.

  • Giảm tải cho máy chủ: Khi dữ liệu được lấy từ cache, máy chủ không cần phải xử lý các yêu cầu truy cập dữ liệu, giúp giảm tải CPU, RAM và băng thông mạng cho máy chủ.
  • Giảm tải cho cơ sở dữ liệu: Database caching giúp giảm số lượng truy vấn được gửi đến cơ sở dữ liệu, giúp giảm tải cho cơ sở dữ liệu và cải thiện hiệu suất tổng thể của ứng dụng.
  • Tiết kiệm băng thông: Khi dữ liệu được lưu trong cache gần người dùng (ví dụ: CDN caching), hệ thống không cần phải truyền tải dữ liệu từ nguồn gốc mỗi lần có yêu cầu, giúp tiết kiệm băng thông mạng.

3. Cải thiện trải nghiệm người dùng:

Tốc độhiệu suấthai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng. Caching đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện cả hai yếu tố này.

  • Trải nghiệm mượt mà và nhanh chóng: Thời gian tải trang nhanh hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn, và ứng dụng hoạt động mượt mà hơn giúp người dùng có trải nghiệm tốt hơn.
  • Giảm tỷ lệ thoát trang (bounce rate): Người dùng có xu hướng rời khỏi website nếu thời gian tải quá lâu. Caching giúp giảm tỷ lệ thoát trang bằng cách cải thiện tốc độ tải trang.
  • Tăng sự hài lòng của người dùng: Trải nghiệm tốt hơn dẫn đến sự hài lòng cao hơn từ người dùng, giúp tăng khả năng quay lại và sử dụng dịch vụ.

4. Tăng hiệu suất hệ thống:

Caching giúp tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống bằng cách giảm tải cho các thành phần và tăng tốc độ xử lý.

Tăng thông lượng (throughput): Hệ thống có thể xử lý nhiều yêu cầu hơn trong cùng một khoảng thời gian nhờ caching.
Cải thiện IOPS (Input/Output Operations Per Second): Caching giúp giảm số lượng hoạt động đọc/ghi vào ổ cứng, giúp cải thiện IOPS và tăng hiệu suất của hệ thống lưu trữ.
Khả năng mở rộng tốt hơn: Caching giúp hệ thống xử lý được lượng truy cập lớn hơn mà không cần phải đầu tư quá nhiều vào phần cứng.

5. Tiết kiệm chi phí:

Mặc dù việc triển khai caching có thể đòi hỏi chi phí ban đầu, nhưng về lâu dài, nó có thể giúp tiết kiệm chi phí vận hành.

  • Giảm chi phí băng thông: Giảm lượng dữ liệu truyền tải qua mạng giúp tiết kiệm chi phí băng thông.
  • Giảm chi phí phần cứng: Caching giúp hệ thống xử lý được lượng truy cập lớn hơn với ít phần cứng hơn.
  • Giảm chi phí năng lượng: Giảm tải cho máy chủ giúp giảm tiêu thụ năng lượng.

6. Cải thiện khả năng hoạt động offline (trong một số trường hợp):

Một số loại caching, như browser caching, cho phép người dùng truy cập vào nội dung đã được lưu trữ ngay cả khi không có kết nối internet. Điều này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng di động và website cho phép truy cập offline.

Ví dụ cụ thể:

CDN: Các mạng phân phối nội dung (CDN) sử dụng caching để lưu trữ nội dung website trên nhiều server trên khắp thế giới. Khi người dùng truy cập website, nội dung sẽ được tải từ server CDN gần nhất, giúp giảm độ trễ và tăng tốc độ tải trang.
Redis/Memcached: Đây là các hệ thống caching in-memory thường được sử dụng trong các ứng dụng web để lưu trữ dữ liệu phiên, kết quả truy vấn cơ sở dữ liệu, và các dữ liệu tạm thời khác.
Browser Caching: Trình duyệt web lưu trữ các file tĩnh của website (hình ảnh, CSS, JavaScript) để giảm thời gian tải trang cho các lần truy cập sau.

Tổng kết

Bài viết đã cung cấp một cái nhìn toàn diện về caching, từ định nghĩa “caching là gì” đến cách thức hoạt động chi tiết và các loại caching phổ biến. Bạn đã được trang bị kiến thức về cách caching giúp giảm độ trễ, tăng thông lượng và tối ưu IOPS cho các ứng dụng web và hệ thống lớn. Hiểu được caching là gì và cách nó hoạt động, kết hợp với việc áp dụng các phương pháp caching tiên tiến như sử dụng In-Memory Engine và Amazon ElastiCache, sẽ giúp bạn xây dựng hệ thống mạnh mẽ, linh hoạt và dễ dàng mở rộng. Caching không chỉ là một kỹ thuật, mà còn là một chiến lược quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và tốc độ trong thế giới công nghệ hiện đại.

 

Để lại một bình luận