Caché de escritura

¿Qué es la caché de escritura en retroceso?

La caché de escritura en retroceso es una estrategia de almacenamiento en caché que mejora el rendimiento del sistema almacenando temporalmente los datos en un medio de alta velocidad (normalmente la memoria) y aplazando las actualizaciones al almacenamiento principal (normalmente el disco). A diferencia de otras estrategias de almacenamiento en caché, write-back prioriza la velocidad escribiendo primero los datos en la caché y sincronizándolos con el almacenamiento principal de forma asíncrona. Esta estrategia reduce la latencia de las operaciones de escritura, pero requiere una gestión cuidadosa para garantizar la coherencia de los datos.

Este recurso explorará diferentes estrategias de almacenamiento en caché, comparará el write-back con otros enfoques, discutirá sus beneficios y desafíos, y proporcionará orientación sobre cuándo usarlo. Tanto si eres desarrollador de aplicaciones como arquitecto, comprender la caché de escritura en retroceso puede ayudarte a optimizar el rendimiento y la escalabilidad de tus sistemas.

• Estrategias de caché
• Write-back vs. write-through
• Ventajas y retos de la caché de escritura
• ¿Qué ocurre con los riesgos de pérdida de datos por escritura?
  
• Casos de uso de la caché de escritura en retroceso
  
• Elegir entre caché de escritura retrospectiva y caché de escritura pasante
• Principales conclusiones y recursos
  

Estrategias de caché

El caché es la práctica de almacenar temporalmente copias de datos para recuperarlos más rápidamente. El ejemplo más común es RAM+disco. La RAM suele ser más rápida que el disco, pero también más cara y limitada. Utilizar la RAM para almacenar en caché datos a los que se accede con frecuencia puede mejorar el rendimiento. Las distintas estrategias de almacenamiento en caché se adaptan a diferentes casos de uso, equilibrando velocidad, coherencia y complejidad.

Caché de escritura

La caché de escritura en retroceso almacena primero los datos en la caché y los pone en cola para ser escritos en el almacenamiento primario en un momento posterior. Cuando se produce una escritura, se considera inmediatamente realizada con éxito mientras los datos estén almacenados en la caché, sin esperar a que se actualice el disco. El sistema actualiza de forma asíncrona el almacenamiento principal. Las lecturas posteriores se extraen de la memoria, lo que proporciona otra ventaja de rendimiento. La escritura retrospectiva es especialmente útil para aplicaciones que requieren un alto rendimiento. Por supuesto, existe el riesgo de que la escritura en disco falle. Hay muchas maneras de reducir ese riesgo (lo exploraremos más adelante), aunque matemáticamente, siempre será un riesgo.

Caché de escritura

En una caché de escritura, los datos se escriben tanto en la caché como en el almacenamiento primario "simultáneamente" (a través de un mecanismo de transacción/bloqueo). Este enfoque refuerza la coherencia de los datos en todas las capas de almacenamiento a costa de una mayor latencia en las operaciones de escritura.

Caché de escritura

La caché de escritura omite por completo la caché para las operaciones de escritura, almacenando los datos directamente en el almacenamiento primario. La caché sólo se actualiza cuando se leen los datos. Esta estrategia minimiza la sobrecarga de escribir en la caché, pero puede provocar que se pierda la caché cuando los datos se actualizan con frecuencia. La escritura en caché es adecuada para escenarios con actualizaciones de datos poco frecuentes, o situaciones en las que no se va a acceder inmediatamente a los datos que se están escribiendo. En general, la caché de escritura alrededor se utiliza con menos frecuencia que la caché de escritura hacia atrás y la caché de escritura hacia adelante.

Write-back vs. write-through

La caché de escritura inversa y la de escritura directa representan dos extremos del espectro en términos de velocidad y coherencia.

• Caché de escritura prioriza el rendimiento aplazando las actualizaciones al almacenamiento primario, lo que reduce la latencia de escritura. Sin embargo, el riesgo de pérdida de datos aumenta si la caché falla antes de sincronizarse con el almacenamiento.
• Caché de escritura hace hincapié en la coherencia de los datos garantizando que cada operación de escritura actualice tanto la caché como el almacenamiento principal. La contrapartida es una mayor latencia y un uso potencialmente más elevado de recursos.

La elección de uno u otro depende de la tolerancia de la aplicación a la latencia y la coherencia.

Ventajas y retos de la caché de escritura

Beneficios

Rendimiento de escritura mejorado: Escribir datos en la caché es más rápido que hacerlo en el almacenamiento primario, que es más lento.
Reducción del tráfico de almacenamiento: Como las escrituras en el almacenamiento primario se procesan por lotes o se retrasan, el tráfico total de E/S (entrada/salida) disminuye, lo que reduce la presión sobre los sistemas de almacenamiento.
Mejora del rendimiento de lectura: Los datos a los que se accede con más frecuencia permanecen en la caché, lo que acelera las operaciones de lectura.

Desafíos

Riesgos para la coherencia de los datos: Los datos pueden perderse si la caché falla antes de sincronizarse con el almacenamiento.
Gestión compleja de la caché: Garantizar que la caché y el almacenamiento permanezcan sincronizados requiere una sólida gestión y supervisión de errores, especialmente si integrar dos sistemas de datos diferentes (una base de datos y un almacén caché de valores clave independiente, por ejemplo).
Durabilidad: Las aplicaciones que requieran persistencia inmediata podrían considerar inadecuada la escritura en reversión, a menos que haya formas de mitigar el riesgo (que un sistema de caché como Couchbase por ejemplo).

¿Qué ocurre con los riesgos de pérdida de datos por escritura?

Couchbase proporciona una arquitectura duradera y distribuida para reducir el riesgo de pérdida de datos. La configuración por defecto en SDK de Couchbase es que las escrituras sean completamente asíncronas, lo que significa que se corre el riesgo de perder datos si falla un servidor. Sin embargo, simplemente aumentando el nivel de durabilidad a "mayoría", la operación se convierte en síncrona, reduciendo el riesgo de pérdida de datos (la pérdida de datos se produciría si varios servidores fallasen simultáneamente durante la operación). Además, los requisitos de durabilidad pueden aumentarse a "majorityAndPersistActive" y "persistToMajority". Estos hacen que la pérdida de datos sea aún menos probable (tendría que producirse un fallo generalizado del servidor y una pérdida de disco durante la operación para que se produjera la pérdida de datos). En cualquiera de las situaciones anteriores, la pérdida de datos sólo se produciría durante el evento de fallo. Con una mayor durabilidad, el riesgo sigue existiendo matemáticamente, del mismo modo que ganar la lotería es posible.

Estos ajustes también aumentan la latencia, pero en un sistema complejo, algunas operaciones se benefician más del rendimiento y otras requieren más durabilidad. El almacenamiento en caché con escritura posterior puede dar prioridad a determinados tipos de datos (por ejemplo, las compras necesitan la mayor durabilidad, y los datos de registro en estado estacionario tienen una prioridad menor). Sistema de recuperación de escritura de Couchbase y opciones de durabilidad te dan la flexibilidad que no te da el write-through.

Casos de uso de la caché de escritura en retroceso

La caché de escritura retrospectiva es adecuada para escenarios en los que el rendimiento de escritura es crítico y los retrasos ocasionales en la coherencia son aceptables. Los casos de uso incluyen:

• Juegos y gestión de sesiones de usuario: Puede utilizarse para juegos multijugador y aplicaciones web que almacenan datos de sesión o de jugadores para ofrecer experiencias rápidas con una latencia mínima.
• Sistemas de comercio electrónico: La cesta de la compra, la navegación, las preferencias del usuario y otras operaciones de comercio electrónico se almacenan en caché para aumentar la velocidad, mientras que las compras menos frecuentes pero más críticas pueden utilizar una mayor durabilidad.
• Plataformas de streaming de vídeo: Puede utilizarse para almacenar en caché metadatos, como el historial de visitas o las recomendaciones, para un acceso más rápido.
• Redes sociales: Couchbase es una tecnología básica de Arquitectura de caché de LinkedIn, sirviendo perfiles y contenidos de redes sociales más rápidamente.

Un sistema de almacenamiento en caché correctamente construido con un enfoque de escritura en retroceso, como Couchbase, es muy adecuado tanto para el rendimiento como para la fiabilidad de los datos.

Elegir entre caché de escritura retrospectiva y caché de escritura pasante

La decisión de utilizar caché de escritura en retroceso o de escritura en tránsito depende de los requisitos de su aplicación. Considere lo siguiente:

• Rendimiento frente a durabilidad: Write-back es ideal cuando la velocidad de escritura es una prioridad y se pueden reducir los riesgos (por ejemplo, las opciones de durabilidad de Couchbase). Write-through puede ser adecuado para sistemas en los que las operaciones de lectura superan con creces a las de escritura.
• Tolerancia al fallo: Los sistemas con tolerancia limitada a la pérdida de datos deben evitar la escritura en reversión a menos que existan mecanismos adicionales de redundancia (por ejemplo, la arquitectura distribuida de Couchbase).
• Escalabilidad: La caché de escritura es útil en arquitecturas en las que escalabilidad es crucial. Al reducir las cargas de escritura en el almacenamiento primario, los sistemas pueden gestionar más usuarios simultáneos y mejorar la capacidad de respuesta.

Principales conclusiones y recursos

• La caché de escritura en retroceso proporciona una escritura superior rendimiento al retrasar la sincronización con el almacenamiento primario, pero conlleva riesgos para la coherencia de los datos que un sistema distribuido con opciones de durabilidad puede solventar.
• La caché de escritura garantiza la integridad de los datos escribiendo simultáneamente en la caché y en el almacenamiento, lo que la hace adecuada para aplicaciones de lectura intensiva en las que no es necesaria la flexibilidad.
• Para elegir la estrategia de almacenamiento en caché adecuada es necesario conocer las necesidades de rendimiento del sistema, los requisitos de coherencia y la tolerancia al riesgo.

Próximos pasos sugeridos

• Explorar Couchbase arquitectura memory-firstque aplica estrategias de almacenamiento en caché, como la escritura retrospectiva, para mejorar el rendimiento.
• Más información sobre las escrituras duraderas para mitigar los riesgos asociados a almacenamiento en caché.
• Revise nuestro blog y centro de conceptos para seguir aprendiendo sobre temas relacionados con la caché.