Cache là thuật ngữ khá phổ biến và ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ thông tin. Sử dụng cache đúng cách không những mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống mà còn tăng trải nghiệm cho người dùng. Cùng tìm hiểu tổng quát về cache như cache là gì, ưu và nhược điểm của nó, các thuật toán giúp cache vận hành,… trong bài viết này nhé!

Bộ nhớ đệm Cache là gì?

Trước khi tìm hiểu bộ nhớ cache là gì thì chúng ta nói sơ qua về cách đọc cache nhé! Puramu thấy rất nhiều người đọc sai từ này. Cache phát âm giống từ cash /kæʃ/ chứ không phải là “ca che” đâu nha mọi người.

Cache hay còn gọi là bộ nhớ đệm. Cache là hệ thống lưu trữ dữ liệu tạm thời được tích hợp sẵn trong môi trường máy tính. Các dữ liệu, thông tin hoặc quy trình truy cập thường xuyên sẽ được lưu lại trong cache để tăng tốc độ truy cập vào các lần sau. Cache được sử dụng ở cả phần cứng và phần mềm để cải thiện hiệu suất và thời gian phản hồi của hệ thống máy tính.

Ngoài khái niệm “Cache là gì?” thì còn hai khái niệm liên quan mà bạn cần biết, đó là “Caching là gì?” và “Cached là gì?”.

Caching là động từ mô tả hành động lưu trữ dữ liệu vào cache dưới dạng mã nhị phân. Caching giúp giảm thời gian truy cập vào các lần sau. Từ đó, giảm độ trễ và tăng hiệu suất cho website và ứng dụng.
Cached là tính từ mô tả dữ liệu đã được lưu trữ trong bộ nhớ cache.

Ưu điểm của việc sử dụng cache

Sử dụng cache mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện hiệu suất và trải nghiệm người dùng. Dưới đây Puramu sẽ liệt kê một số lợi ích chính của việc sử dụng cache:

Tăng tốc độ truy cập dữ liệu: Cache giúp giảm thời gian truy cập dữ liệu bằng cách lưu trữ bản sao của dữ liệu được truy cập gần đây trong bộ nhớ cache. Dữ liệu lấy từ cache được trả về nhanh hơn rất nhiều so với từ nguồn dữ liệu gốc. Vì thế tốc độ truy cập dữ liệu nhanh đáng kể so với bình thường.
Giảm tải cho hệ thống: Sử dụng cache, dữ liệu được lấy từ cache thay vì nguồn dữ liệu gốc. Do đó, số lượng yêu cầu hệ thống phải xử lý được giảm bớt. Nhờ vậy, giảm tải cho hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể.
Tiết kiệm băng thông và tài nguyên máy chủ: Sử dụng bộ nhớ cache giúp giảm số lượng yêu cầu và truyền tải dữ liệu giữa máy khách và máy chủ. Vì vậy nên tiết kiệm băng thông và tài nguyên cho máy chủ.
Cải thiện trải nghiệm người dùng: Khi sử dụng bộ nhớ cache, ứng dụng hoặc trang web load nhanh hơn, hiếm khi gặp tình huống load chậm. Vì thế, trải nghiệm người dùng khi truy cập được tốt hơn.
Tiết kiệm chi phí: Cache giúp giảm bớt tải lên hệ thống, tiết kiệm băng thông và tài nguyên máy chủ. Vì thế, sử dụng cache sẽ giúp bạn tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống. Ngoài ra, còn gián tiếp giúp bạn tiết kiệm chi phí cho việc duy trì và mở rộng hệ thống.

Nhược điểm của việc sử dụng cache

Sử dụng cache mang lại cho bạn nhiều lợi ích. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm mà bạn cần xem xét như:

Hiển thị dữ liệu cũ: Cache có thể hiển thị dữ liệu cũ hoặc không còn hợp lệ nếu dữ liệu tại nguồn dữ liệu gốc đã thay đổi nhưng cache vẫn chưa được cập nhật. Điều này có thể dẫn đến hiển thị thông tin không chính xác cho người dùng. Tuy nhiên, hiện nay cũng đã có nhiều giải pháp cho trường hợp này.
Yêu cầu kỹ năng quản lý bộ nhớ cache: Bạn cần có kiến thức về thuật toán và kinh nghiệm để quản lý dung lượng bộ nhớ cache hiệu quả. Với hệ thống chứa dữ liệu lớn hoặc chứa nhiều loại dữ liệu khác nhau lại càng phức tạp hơn. Bộ nhớ cache được kiểm soát tốt là khi dữ liệu quan trọng được giữ lại trong cache còn dữ liệu ít quan trọng hoặc ít được truy cập được loại bỏ đúng đắn.
Không phù hợp với dữ liệu thay đổi thường xuyên: Cache hoạt động tốt với dữ liệu có tính chất ổn định, ít thay đổi. Đối với dữ liệu thay đổi thường xuyên, việc quản lý cache và đảm bảo dữ liệu luôn cập nhật khá phức tạp.
Rủi ro về bảo mật: Cache có thể chứa thông tin nhạy cảm. Nếu dữ liệu cache không được bảo vệ cẩn thận thì các rủi ro bảo mật có thể xảy ra.

Các loại cache thường dùng

Cache Trình Duyệt (Browser Cache)

Là cache được tích hợp sẵn trong trình duyệt web của người dùng. Cache trình duyệt lưu trữ các tài nguyên web như hình ảnh, tệp CSS và tệp JavaScript mà họ đã lướt web trước đó. Thay vì tải lại các tài nguyên từ máy chủ mỗi khi họ truy cập vào trang web, trình duyệt sẽ sử dụng các tài nguyên đã lưu trữ trong cache để hiển thị trang web nhanh hơn. Nhờ vậy giúp giảm thời gian tải trang web và tăng tốc độ duyệt web.

Cache Máy Chủ (Server Cache)

Cache máy chủ lưu trữ các phiên bản tĩnh của trang web trên máy chủ để sử dụng lại cho các yêu cầu được lặp lại sau này. Thay vì phải xử lý lại mọi yêu cầu từ người dùng, trang web sẽ lấy các nội dung từ cache máy chủ trả kết quả cho khách truy cập. Do đó giúp giảm tải cho máy chủ, đặc biệt vào thời điểm trang web có lượng truy cập lớn cùng lúc. Đồng thời, tăng trải nghiệm tốt cho khách truy cập trang web. Ví dụ: Sử dụng Varnish Cache hoặc Nginx Cache giúp tăng tốc độ phản hồi của máy chủ web.

Cache Cơ Sở Dữ Liệu (Database Cache)

Các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu thường sử dụng cache để lưu trữ các kết quả truy vấn cơ sở dữ liệu hoặc dữ liệu phức tạp. Điều này giúp giảm tải cho cơ sở dữ liệu và tăng tốc độ truy xuất dữ liệu.

Cache Ứng Dụng (Application Cache)

Cache ứng dụng lưu trữ dữ liệu tạm thời như hình ảnh, tệp tin hoặc dữ liệu dự phòng trong các ứng dụng trên máy tính và di động để giảm thời gian phản hồi và tăng hiệu suất.

Proxy Cache

Các máy chủ proxy và CDN thường sử dụng cache để lưu trữ các tài nguyên web tại các vị trí gần người dùng cuối để phân phối nội dung web đến họ nhanh hơn. Điều này giúp thời gian tải trang web và cải thiện hiệu suất truy cập cho máy chủ gốc.

Mỗi loại cache đều được ứng dụng trong phạm vi nhất định nhằm cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong các hệ thống máy tính và mạng.

Cơ chế hoạt động của cache

Cache thực hiện nhiệm vụ lưu trữ và quản lý dữ liệu tạm thời để tối ưu hóa hiệu suất truy cập dữ liệu ở các môi trường khác nhau. Để thực hiện được nhiệm vụ đó, cache sẽ hoạt động theo quy trình chung sau:

Kiểm tra dữ liệu: Khi có yêu cầu truy cập dữ liệu, cache sẽ kiểm tra xem dữ liệu đó đã được lưu trữ trong cache hay chưa. Nếu có, dữ liệu sẽ được lấy từ cache thay vì tải lại từ nguồn dữ liệu gốc (máy chủ gốc, cơ sở dữ liệu hoặc ứng dụng).
Lưu trữ dữ liệu: Nếu chưa có dữ liệu hoặc dữ liệu đã hết hạn thì cache sẽ tải và lưu trữ dữ liệu từ nguồn dữ liệu gốc.
Giải phóng dữ liệu: Khi dung lượng trong cache gần đầy, cache sẽ loại bỏ dữ liệu cũ để nhường chỗ cho dữ liệu mới. Đây cũng là cơ chế làm mới dữ liệu của cache để đảm bảo dữ liệu được cập nhật thường xuyên và hiển thị dữ liệu đúng.
Cấu hình cache: Quản trị viên sẽ thiết lập các thuật toán điều khiển cache. Các hoạt động trong cache như lưu trữ, làm mới và loại bỏ dữ liệu trong cache sẽ hoạt động theo thuật toán đó.

Các thuật toán điều khiển cache

Các thuật toán dưới đây dùng để điều khiển cách cache lưu trữ, sử dụng và giải phóng dữ liệu. Cụ thể như: Các thuật toán sẽ giúp cache đưa ra quyết định xem dữ liệu nào được tiếp tục lưu trữ trong cache và khoảng thời gian lưu trữ dữ liệu là bao lâu. Bộ nhớ cache hoạt động dựa trên nguyên tắc duy trì bộ nhớ đệm cho những dữ liệu được truy cập thường xuyên hoặc gần đây nhất.

Các thuật toán Cache sẽ hoạt động như đúng cái tên của nó. Do đó, bạn chỉ cần hiểu tên thuật toán là có thể suy ra cách nó hoạt động. Dưới đây, Puramu sẽ giải thích các thuật toán trong một trường hợp cụ thể là giải phóng dữ liệu. Các trường hợp còn lại sẽ được hoạt động tương tự.

Least Frequently Used (LFU)

Thuật toán Least Frequently Used dịch sang tiếng việt có nghĩa là: Ít được sử dụng thường xuyên nhất. Thuật toán này sẽ theo dõi tần suất truy cập của dữ liệu. Dữ liệu có tần suất truy cập thấp nhất sẽ được xoá đầu tiên.

Least Recently Used (LRU)

Thuật toán Least Recently Used dịch sang tiếng việt có nghĩa là: Ít được sử dụng gần đây nhất. Đây là một trong những thuật toán đơn giản và phổ biến nhất. Thuật toán này sẽ sắp xếp các mục dữ liệu của bạn dựa trên thời điểm truy cập. Mục dữ liệu mới truy cập sẽ đứng đầu tiên. Khi bộ nhớ cache đầy, nó sẽ xoá các mục ở dưới cùng (truy cập cách đây lâu nhất).

Most Recently Used (MRU)

Thuật toán Most Recently Used dịch sang tiếng việt có nghĩa là: Được sử dụng gần đây nhất. Thuật toán này sẽ xoá các mục dữ liệu sử dụng gần đây nhất. Thuật toán MRU thích hợp khi các mục dữ liệu cũ có lượng truy cập cao hơn.

First-In-First-Out (FIFO)

Thuật toán First-In-First-Out dịch sang tiếng việt có nghĩa là: nhập đầu tiên thì xuất đầu tiên. Thuật toán FIFO sẽ xoá dữ liệu dựa vào thứ tự nó được thêm vào cache. Dữ liệu đầu tiên được lưu trữ trong cache (first in) sẽ được xoá đầu tiên (first out). Thuật toán này không xem xét thời gian truy cập hoặc theo dõi tần suất truy cập của dữ liệu. Do đó, dù dữ liệu mới được truy cập gần đây nhưng nó là một trong những dữ liệu đầu tiên được lưu trữ trong cache thì nó vẫn bị xoá.

Thuật toán FIFO khá đơn giản và dễ triển khai. Ngoài ra, nó còn được đánh giá cao về khả năng tận dụng tối đa bộ nhớ cache, đặc biệt khi dữ liệu truy cập gần đây quan trọng hơn dữ liệu cũ.

Random Replacement

Thuật toán Random Replacement dịch sang tiếng việt có nghĩa là: Thay thế ngẫu nhiên. Thuật toán Random Replacement sẽ chọn dữ liệu ngẫu nhiên để loại bỏ khi cần giải phóng dung lượng. Thuật toán này khá đơn giản. Tuy nhiên, nó có thể không tối ưu và không đảm bảo hiệu năng tốt trong nhiều trường hợp.

Adaptive Replacement Cache (ARC)

Thuật toán ARC là sự kết hợp của thuật toán LRU và LRU-2 để tận dụng tối đa lợi ích. Thuật toán này sẽ chia bộ nhớ cache làm 2 phần:

Phần phía trước gọi là T1 dùng để lưu trữ các dữ liệu mới gần đây. LRU quản lý T1. Khi T1 đầy, dữ liệu ít truy cập sẽ bị loại bỏ theo cơ chế của thuật toán LRU.
Phần phía sau gọi là T2 dùng để lưu trữ các dữ liệu có tần suất truy cập cao. LRU-2 quản lý T2.

Khi cần giải phóng dung lượng cho dữ liệu mới, ARC sẽ xoá dữ liệu ít truy cập trong thời gian gần đây (LRU) và không có tần suất truy cập cao trong quá khứ (LRU-2).

Thuật toán ARC mang lại hiệu suất cao, nhất là trong trường hợp có sự biến đổi về tần suất truy cập dữ liệu.

Segmented LRU (SLRU):

Thuật toán Segmented LRU là sự cải tiến của thuật toán LRU. Nó khắc phục các nhược điểm của LRU như: giảm thiểu khả năng dữ liệu được truy cập một lần lại chiếm một vị trí trong bộ nhớ cache trong thời gian dài và đẩy các mục thường xuyên được truy cập ra ngoài. Vì vậy, thuật toán SLRU giúp tối ưu hóa hiệu suất với các loại dữ liệu khác nhau. Vậy thuật toán SLRU hoạt động như thế nào?

Thuật toán SLRU chia cache thành hai phân đoạn:

Phân đoạn thử nghiệm (Probationary Segment): Phân đoạn này sẽ lưu trữ dữ liệu mới được thêm vào cache. Nếu dữ liệu đó được truy cập lại, nó sẽ được chuyển sang phân đoạn bảo vệ.
Phân đoạn bảo vệ (Protected Segment): Những dữ liệu đã được truy cập ít nhất hai lần sẽ được lưu trữ ở đây.

Nếu bộ nhớ cache ở một trong hai phân đoạn trên đầy, nó sẽ loại bỏ dữ liệu trong phân đoạn đó theo thuật toán LRU.

Trên đây là tổng quát về cache là gì cũng như cách cache hoạt động. Hy vọng những kiến thức này giúp bạn có cái nhìn sâu hơn về cache và ứng dụng cache hiệu quả. Nếu bạn còn thắc mắc hay cần tư vấn về dịch vụ thiết kế website, đừng ngần ngại liên hệ Puramu qua hotline 039.395.0385 hoặc để lại yêu cầu tư vấn bên dưới.

Cache là gì? Cơ chế hoạt động của cache?