Cache de write-back

O que é o cache write-back?

O cache de write-back é uma estratégia de cache que melhora o desempenho do sistema armazenando temporariamente os dados em um meio de alta velocidade (normalmente a memória) e adiando as atualizações para o armazenamento principal (normalmente o disco). Ao contrário de outras estratégias de cache, o write-back prioriza a velocidade gravando primeiro os dados no cache e sincronizando-os com o armazenamento principal de forma assíncrona. Essa estratégia reduz a latência das operações de gravação, mas exige um gerenciamento cuidadoso para garantir a consistência dos dados.

Este recurso explorará diferentes estratégias de cache, comparará o write-back com outras abordagens, discutirá seus benefícios e desafios e fornecerá orientação sobre quando usá-lo. Seja você um desenvolvedor ou arquiteto de aplicativos, entender o cache write-back pode ajudá-lo a otimizar o desempenho e a escalabilidade dos seus sistemas.

• Estratégias de armazenamento em cache
• Write-back vs. write-through
• Benefícios e desafios do cache de write-back
• E quanto aos riscos de perda de dados de write-back?
  
• Casos de uso do cache de write-back
  
• Escolha entre cache write-back e write-through
• Principais conclusões e recursos
  

Estratégias de armazenamento em cache

O armazenamento em cache é a prática de armazenar temporariamente cópias de dados para acelerar a recuperação. O exemplo mais comum é RAM+disco. Normalmente, a RAM é mais rápida do que o disco, mas também é mais cara e limitada. O uso da RAM para armazenar em cache os dados acessados com frequência pode melhorar o desempenho. Diferentes estratégias de cache se adaptam a diferentes casos de uso, equilibrando velocidade, consistência e complexidade.

Cache de write-back

O cache de write-back primeiro armazena os dados no cache e os coloca na fila para serem gravados no armazenamento primário em um momento posterior. Quando ocorre uma gravação, ela é imediatamente considerada bem-sucedida, desde que os dados estejam armazenados no cache, sem esperar que o disco seja atualizado. O sistema atualiza de forma assíncrona o armazenamento principal. As leituras subsequentes são extraídas da memória, o que proporciona outro benefício de desempenho. O write-back é particularmente útil para aplicativos que exigem alta taxa de transferência. Obviamente, existe o risco de a gravação no disco falhar. Há muitas maneiras de reduzir esse risco (exploraremos isso mais tarde), embora, matematicamente, ele sempre será um risco.

Cache de gravação

Em um cache de gravação, os dados são gravados no cache e no armazenamento primário "simultaneamente" (por meio de um mecanismo de transação/bloqueio). Essa abordagem impõe a consistência dos dados em todas as camadas de armazenamento ao custo de maior latência para operações de gravação.

Cache de gravação

O cache de write-around ignora totalmente o cache para operações de gravação, armazenando dados diretamente no armazenamento primário. O cache só é atualizado quando os dados são lidos. Essa estratégia minimiza a sobrecarga de gravação no cache, mas pode levar a falhas de cache para dados atualizados com frequência. O cache de write-around é adequado para cenários com atualizações de dados pouco frequentes ou situações em que os dados que estão sendo gravados não serão acessados imediatamente. Em geral, o cache de write-around é usado com menos frequência do que o write-back e o write-through.

Write-back vs. write-through

O cache write-back e write-through representam dois extremos do espectro em termos de velocidade e consistência.

• Cache de write-back prioriza o desempenho adiando as atualizações para o armazenamento primário, o que reduz a latência de gravação. No entanto, o risco de perda de dados aumenta se o cache falhar antes da sincronização com o armazenamento.
• Cache de gravação enfatiza a consistência dos dados, garantindo que cada operação de gravação atualize o cache e o armazenamento principal. A compensação é o aumento da latência e, possivelmente, o maior uso de recursos.

A escolha entre os dois depende da tolerância do seu aplicativo à latência e à consistência.

Benefícios e desafios do cache de write-back

Benefícios

Desempenho de gravação aprimorado: A gravação de dados no cache é mais rápida do que no armazenamento primário, que é mais lento.
Redução do tráfego de armazenamento: Como as gravações no armazenamento primário são feitas em lote ou atrasadas, o tráfego geral de E/S (entrada/saída) diminui, reduzindo a pressão sobre os sistemas de armazenamento.
Desempenho de leitura aprimorado: Os dados acessados com frequência permanecem no cache, acelerando as operações de leitura.

Desafios

Riscos de consistência de dados: Os dados podem ser perdidos se o cache falhar antes da sincronização com o armazenamento.
Gerenciamento de cache complexo: Para garantir que o cache e o armazenamento permaneçam sincronizados, é necessário um tratamento e monitoramento robustos de erros, especialmente se você integrar dois sistemas de dados diferentes (um banco de dados e um armazenamento de cache de valor-chave separado, por exemplo).
Durabilidade: Aplicativos que exigem persistência imediata podem considerar o write-back inadequado, a menos que haja maneiras de reduzir o risco (o que um sistema de cache como o Couchbase fornece, por exemplo).

E quanto aos riscos de perda de dados de write-back?

O Couchbase oferece uma arquitetura durável e distribuída para reduzir o risco de perda de dados. A configuração padrão no SDK do Couchbase é que as gravações sejam totalmente assíncronas, o que significa que você corre o risco de perder dados se um servidor falhar. No entanto, com o simples aumento do nível de durabilidade para "maioria", a operação se torna síncrona, reduzindo o risco de perda de dados (a perda de dados resultaria da falha simultânea de vários servidores durante a operação). Além disso, os requisitos de durabilidade podem ser aumentados para "majorityAndPersistActive" e "persistToMajority". Isso torna a perda de dados ainda menos provável (para haver perda de dados, seria necessário que ocorresse uma falha generalizada do servidor e perda de disco durante a operação). Em qualquer uma das situações acima, a perda de dados ocorreria somente durante o evento de falha. Com maior durabilidade, o risco ainda existe matematicamente, da mesma forma que é possível ganhar na loteria.

Essas configurações também aumentam a latência, mas em um sistema complexo, algumas operações se beneficiam mais do desempenho e outras exigem mais durabilidade. O cache de write-back pode priorizar determinados tipos de dados (por exemplo, as compras precisam de maior durabilidade, e os dados de registro em estado estável têm prioridade mais baixa). Sistema de write-back do Couchbase e opções de durabilidade oferecem a flexibilidade que o write-through não oferece.

Casos de uso do cache de write-back

O cache de write-back é adequado para cenários em que o desempenho de gravação é crítico e atrasos ocasionais na consistência são aceitáveis. Os casos de uso incluem:

• Jogos e gerenciamento de sessões de usuários: Ele pode ser usado em jogos multijogador e aplicativos da Web que armazenam dados da sessão ou do jogador para proporcionar experiências rápidas com latência mínima.
• Sistemas de comércio eletrônico: O carrinho de compras, a navegação, as preferências do usuário e outras operações de comércio eletrônico são armazenados em cache para aumentar a velocidade, enquanto as compras menos frequentes, porém mais críticas, podem usar maior durabilidade.
• Plataformas de streaming de vídeo: Ele pode ser usado para armazenar em cache metadados, como histórico de exibição ou recomendações, para acesso mais rápido.
• Mídia social: O Couchbase é uma tecnologia central do Arquitetura de cache do LinkedIn, fornecendo perfis e conteúdo de mídia social mais rapidamente.

Um sistema de cache criado adequadamente com uma abordagem de write-back, como o Couchbase, é bem adequado tanto para o desempenho quanto para a confiabilidade dos dados.

Escolha entre cache write-back e write-through

A decisão de usar o cache write-back ou write-through depende dos requisitos de seu aplicativo. Considere o seguinte:

• Desempenho vs. durabilidade: O write-back é ideal quando a velocidade de gravação é uma prioridade e os riscos podem ser reduzidos (por exemplo, as opções de durabilidade do Couchbase). A gravação pode ser adequada para sistemas em que as operações de leitura superam em muito as operações de gravação.
• Tolerância a falhas: Os sistemas com tolerância limitada à perda de dados devem evitar o write-back, a menos que haja mecanismos de redundância adicionais (por exemplo, a arquitetura distribuída do Couchbase).
• Escalabilidade: O cache de write-back é valioso em arquiteturas em que escalabilidade é fundamental. Ao reduzir as cargas de gravação no armazenamento primário, os sistemas podem lidar com mais usuários simultâneos e melhorar a capacidade de resposta.

Principais conclusões e recursos

• O cache de write-back oferece gravação superior desempenho ao atrasar a sincronização com o armazenamento primário, mas isso traz riscos à consistência dos dados que um sistema distribuído com opções de durabilidade pode resolver.
• O cache de gravação garante a integridade dos dados gravando simultaneamente no cache e no armazenamento, o que o torna adequado para aplicativos de leitura intensa em que a flexibilidade não é necessária.
• Para escolher a estratégia de cache correta, é necessário entender as necessidades de desempenho, os requisitos de consistência e a tolerância ao risco do seu sistema.

Sugestões de próximas etapas

• Explore o site do Couchbase arquitetura memory-firstque implementa estratégias de cache como write-back para melhorar o desempenho.
• Saiba mais sobre gravações duráveis para mitigar os riscos associados a armazenamento em cache.
• Analise nossa blog e centro de conceitos para continuar aprendendo sobre tópicos relacionados ao armazenamento em cache.