ライトバック・キャッシュ

ライトバックキャッシュとは？

ライトバックキャッシュは、データを一時的に高速媒体（通常はメモリ）に保存し、プライマリストレージ（通常はディスク）への更新を延期することで、システムのパフォーマンスを向上させるキャッシュ戦略である。他のキャッシング戦略とは異なり、ライトバックでは、まずデータをキャッシュに書き込み、非同期でメインストレージと同期することで、速度を優先します。この戦略は書き込み操作の待ち時間を短縮するが、データの一貫性を確保するために慎重な管理を必要とする。

この資料では、さまざまなキャッシュ戦略を探り、ライトバックを他のアプローチと比較し、その利点と課題について議論し、どのような場合に使用すべきかの指針を示します。アプリケーション開発者であれアーキテクトであれ、ライトバック・キャッシュを理解することは、システムのパフォーマンスとスケーラビリティを最適化するのに役立ちます。

• キャッシュ戦略
• ライトバック対ライトスルー
• ライトバックキャッシュの利点と課題
• ライトバック・データの損失リスクについてはどうだろうか？
  
• ライトバックキャッシュの使用例
  
• ライトバックキャッシュとライトスルーキャッシュの選択
• 主な収穫とリソース
  

キャッシュ戦略

キャッシュとは、データのコピーを一時的に保存して、より速く検索できるようにすることである。最も一般的な例はRAM+ディスクである。RAMは一般的にディスクよりも高速ですが、高価で制限もあります。RAMを使用して頻繁にアクセスされるデータをキャッシュすることで、パフォーマンスを向上させることができる。異なるキャッシュ戦略は、速度、一貫性、複雑さのバランスを取りながら、異なるユースケースに適しています。

ライトバックキャッシュ

ライトバックキャッシュは、まずデータをキャッシュに保存し、後でプライマリストレージに書き込むようにキューに入れる。書き込みが発生すると、データがキャッシュに保存されている限り、ディスクの更新を待たずに即座に成功とみなされる。システムは非同期にメイン・ストレージを更新する。その後の読み込みはメモリから行われるため、パフォーマンス上の利点がもうひとつある。ライトバックは、高いスループットを必要とするアプリケーションに特に有効である。もちろん、ディスクへの書き込みが失敗するリスクはある。そのリスクを軽減する方法はたくさんあるが（後で検討する）、数学的には常にリスクとなる。

ライトスルーキャッシュ

ライトスルーキャッシュでは、データはキャッシュとプライマリストレージの両方に「同時に」書き込まれる（トランザクション／ロックメカニズムを通じて）。このアプローチは、書き込み操作のレイテンシが高くなる代償として、すべてのストレージ層にわたってデータの一貫性を強制する。

ライトアラウンド・キャッシュ

ライト・アラウンド・キャッシュは、書き込み操作に対してキャッシュを完全にバイパスし、プライマリー・ストレージに直接データを保存する。キャッシュが更新されるのは、データが読み込まれたときだけである。この戦略はキャッシュへの書き込みのオーバーヘッドを最小化するが、頻繁に更新されるデータではキャッシュ・ミスにつながる可能性がある。ライトアラウンド・キャッシュは、データの更新頻度が低いシナリオや、書き込まれたデータがすぐにアクセスされない状況に適している。全体として、ライトアラウンド・キャッシュはライトバックやライトスルーよりも使用頻度が低い。

ライトバック対ライトスルー

ライトバック・キャッシングとライトスルー・キャッシングは、スピードと一貫性という点で両極端である。

• ライトバック・キャッシング は、プライマリストレージへの更新を延期することでパフォーマンスを優先し、書き込み待ち時間を短縮する。しかし、ストレージと同期する前にキャッシュに障害が発生すると、データ損失のリスクが高まる。
• ライトスルー・キャッシング は、すべての書き込み操作でキャッシュとメイン・ストレージの両方が更新されるようにすることで、データの一貫性を重視している。トレードオフとして、レイテンシが増加し、リソース使用量が増加する可能性がある。

この2つのどちらを選ぶかは、アプリケーションのレイテンシーと一貫性に対する耐性による。

ライトバックキャッシュの利点と課題

メリット

書き込み性能の向上： キャッシュへのデータ書き込みは、遅いプライマリストレージへの書き込みよりも速い。
ストレージトラフィックの削減： プライマリストレージへの書き込みがバッチ化または遅延されるため、全体的なI/O（入出力）トラフィックが減少し、ストレージシステムへの負担が軽減される。
読み取り性能の向上： 頻繁にアクセスされるデータがキャッシュに残るため、読み取り操作が高速化される。

課題

データの整合性リスク： ストレージと同期する前にキャッシュが失敗すると、データが失われる可能性がある。
複雑なキャッシュ管理： キャッシュとストレージを確実に同期させるには、特に以下のような場合に、堅牢なエラー処理と監視が必要になります。 2つの異なるデータシステム（例えば、データベースと別のキーバリューキャッシュストア）を統合する。.
耐久性がある： 即座の永続性を必要とするアプリケーションでは、リスクを軽減する方法がない限り、ライトバックは適さないかもしれない。 Couchbaseのようなキャッシュシステム を提供している。）

ライトバック・データの損失リスクについてはどうだろうか？

Couchbaseは、耐久性のある分散アーキテクチャを提供し、データ損失のリスクを低減します。デフォルトの Couchbase SDK 書き込みが完全に非同期である場合、サーバーに障害が発生するとデータを失うリスクがある。しかし、耐久性レベルを "majority "に上げるだけで、操作は同期的になり、データ損失のリスクを減らすことができる（データ損失は、操作中に複数のサーバーが同時に故障した場合に生じる）。さらに、耐久性要件を "majorityAndPersistActive "や "persistToMajority "に増やすこともできる。これらにより、データ消失の可能性はさらに低くなる（データ消失のためには、操作中に広範なサーバー障害とディスク消失が発生する必要がある）。上記のいずれの状況においても、データ損失は障害発生時にのみ発生する。耐久性が向上しても、宝くじに当たる可能性があるのと同じように、数学的にはリスクは存在する。

これらの設定はレイテンシも増加させるが、複雑なシステムでは、あるオペレーションはパフォーマンスからより恩恵を受け、あるオペレーションはより耐久性を必要とする。ライトバック・キャッシングは、特定のデータ・タイプに優先順位をつけることができる（例えば、購入は最高の耐久性を必要とし、定常ログ・データは優先順位が低い）。 Couchbaseのライトバック・システム そして 耐久性オプション ライトスルーにはない柔軟性がある。

ライトバックキャッシュの使用例

ライトバック・キャッシュは、書き込み性能が重要であり、一貫性の遅延が許容されるシナリオに適している。使用例には以下が含まれる：

• ゲーミング そして ユーザーセッション管理: セッションやプレーヤーのデータを保存するマルチプレイヤーゲームやウェブアプリケーションに使用することができ、最小限のレイテンシーで高速な体験を提供します。
• 電子商取引システム： ショッピングカート、ブラウジング、ユーザー設定、その他のeコマース操作は、スピードのためにキャッシュされる。
• ビデオ・ストリーミング・プラットフォーム： 視聴履歴やおすすめ番組などのメタデータをキャッシュし、より高速なアクセスを可能にする。
• ソーシャルメディア Couchbaseは、その中核技術である。 リンクトインのキャッシュ・アーキテクチャプロフィールやソーシャルメディアコンテンツをより速く提供する。

Couchbaseのようなライトバック方式で適切に構築されたキャッシュシステムは、パフォーマンスとデータの信頼性の両方に適している。

ライトバックキャッシュとライトスルーキャッシュの選択

ライトバック・キャッシングとライトスルー・キャッシングのどちらを使うかは、アプリケーションの要件による。以下について考えてみましょう：

• 性能対耐久性： ライトバックは、書き込み速度が優先され、リスクを低減できる場合に理想的である（例えば、Couchbaseの耐久性オプション）。ライトスルーは、読み取り操作が書き込み操作をはるかに上回るシステムには適切です。
• 故障の許容範囲： データ損失に対する耐性が限定的なシステムでは、追加の冗長メカニズムがない限り、ライトバックを避けるべきである（例えば、Couchbaseの分散アーキテクチャ）。
• スケーラビリティ： ライトバック・キャッシングは、以下のようなアーキテクチャで威力を発揮する。 スケーラビリティ が重要である。プライマリストレージへの書き込み負荷を減らすことで、システムはより多くの同時ユーザーを処理し、応答性を向上させることができる。

主な収穫とリソース

• ライトバック・キャッシュは優れた書き込みを提供する パフォーマンス プライマリストレージとの同期を遅らせることで、データの一貫性を保つことができる。
• ライトスルーキャッシュは、キャッシュとストレージに同時に書き込むことでデータの整合性を確保するため、柔軟性が必要ない読み取りが多いアプリケーションに適している。
• 正しいキャッシング戦略を選択するには、システムのパフォーマンスニーズ、一貫性要件、リスク許容度を理解する必要がある。

次のステップ

• Couchbaseの メモリファーストアーキテクチャこれはライトバックのようなキャッシュ戦略を実装し、パフォーマンスを向上させる。
• 以下のようなリスクを軽減するための耐久性のある方法については、こちらをご覧ください。 キャッシング.
• レビュー blog そして コンセプト・ハブ キャッシングに関するトピックを学び続けるために。