Was ist Cache? Definition und alle Bereiche, in denen Caching genutzt wird
Was ist Cache, und wo wird Caching genutzt? Hier sind die Bereiche von der Hardware bis zum Web in einem Baum zusammengefasst, nach den Einteilungen von Wikipedia, MDN und der offiziellen WordPress-Dokumentation. CPUs, Betriebssysteme, Datenbanken und Browser verwenden alle denselben Namen; was beim Leeren des Caches gelöscht wird, hängt deshalb von der Schicht ab.
Ein Cache legt Daten, die oft gebraucht werden oder bald nötig sind, vorübergehend in einem schnelleren Speicher als dem Original ab und antwortet bei derselben Anfrage mit dieser Kopie statt mit dem Original.
Der Artikel Cache (computing) der englischen Wikipedia teilt Caches in Hardware-Caches wie CPU- und GPU-Caches und Software-Caches wie Festplatten-, Web-, DNS- und Datenbank-Caches. Der Baum unten gruppiert diese Einteilung nach dem Ort, an dem der Cache sitzt; die Web-Caches folgen der Einteilung von MDN in private cache und shared cache.
In welcher Reihenfolge Browser-, CDN- und serverseitige Caches eine einzelne WordPress-Anfrage abarbeiten, kannst du im Beitrag Website-Cache & serverseitiger Cache: So funktioniert Caching in WordPress mit einem Simulator nachvollziehen.
Ⅰ. Endgeräte
Caches auf Endgeräten wie PCs und Smartphones lassen sich in Betriebssystem-Cache, Browser-Cache und App-Cache auf Mobilgeräten einteilen.
Der Festplatten-Cache (Page Cache) hält von der Festplatte gelesene Daten im Speicher und wird vom Kernel des Betriebssystems verwaltet. Der DNS-Cache speichert zuletzt abgefragte Domains und IP-Adressen.
Wird dieselbe Ressource erneut angefragt, geht er entweder gar nicht zum Server oder prüft nur, ob sie sich geändert hat. Mit einem Service Worker (Cache API) lässt sich eine Web-App auch offline aus gespeicherten Ressourcen öffnen.
Apps mit großen Inhalten speichern empfangene Daten und zuletzt angesehene Listen auf dem Gerät, damit sie dieselben Daten nicht erneut laden.
Ⅱ. Server- und Anwendungs-Cache
Der serverseitige Cache hängt am Ablauf, mit dem eine Seite erzeugt wird, nachdem die Anfrage beim Server angekommen ist. Die offizielle WordPress-Dokumentation teilt ihn in Caching-Plugins (Seiten-Cache), Objekt-Cache und Server-Cache (Opcode-Caches wie OPcache) ein.
Bei derselben Seitenanfrage schickt er die gespeicherte Kopie, ohne PHP auszuführen. Es gibt Caching-Plugins und Webserver-Caches.
Läuft dieselbe Datei erneut, entfällt das Kompilieren. Seit PHP 5.5 eingebaut.
Speichert häufig genutzte Daten in einem Speicher im Arbeitsspeicher, damit dieselbe Abfrage nicht wiederholt wird.
Web-Frameworks speichern gerenderte Templates und Abfrageergebnisse in ihrem eigenen Cache.
Ⅲ. Cache in Auslieferung / Netzwerk-Infrastruktur
Caches in der Netzwerk-Infrastruktur antworten zwischen Besucher und Ursprungsserver mit Kopien und verringern so die physische Entfernung und die Last auf dem Ursprungsserver. Im HTTP-Caching-Standard entsprechen sie dem shared cache, den viele Besucher gemeinsam nutzen.
Liefert aus dem Server, der dem Besucher unter den weltweit verteilten Servern am nächsten ist. Aufbau und Vorteile sind im Beitrag Was ist ein CDN? Gründe für ein CDN und 5 Vorteile beschrieben.
Ein Forward Proxy speichert Antworten auf der Seite des Clients, etwa in einem Firmennetz, ein Reverse Proxy vor dem Server.
Netzwerkgeräte speichern im ARP-Cache, Provider- und öffentliche DNS-Resolver speichern Abfrageergebnisse für die TTL des Eintrags.
Ⅳ. Cache in Datenbank- und Speichersystemen
Weil Festplattenzugriffe langsam sind, halten Datenbanken und Speichergeräte häufig gelesene Daten im Arbeitsspeicher.
Hält häufig gelesene Daten und Indizes im Speicher. Der Query-Cache von MySQL wurde in 8.0 entfernt; MariaDB hat ihn noch, aber standardmäßig ausgeschaltet.
Der im Festplatten-Controller eingebaute Speicher und der DRAM in der SSD halten Daten vorübergehend und verringern so die Ein-/Ausgabe-Latenz.
Ⅴ. Cache auf Hardware-Ebene
Hardware-Caches sind schnelle Speicher in CPU und GPU, die Daten schneller verarbeiten als der Hauptspeicher (RAM).
L1 gibt es für jeden Kern separat, aufgeteilt in Befehls- und Daten-Cache, L3 teilen sich alle Kerne. Die Speicherverwaltungseinheit (MMU) legt die Ergebnisse der Übersetzung virtueller in physische Adressen im TLB ab.
Erhöht die Verarbeitungseffizienz der GPU bei Spielen, 3D-Grafik und Machine-Learning-Berechnungen.
Ⅵ. Cache in Cloud / Virtualisierung
In Cloud- und Virtualisierungsumgebungen werden Container-Images, Laufzeitumgebungen von Funktionen und Build-Ergebnisse wiederverwendet, um Bereitstellung und Ausführung zu verkürzen.
Ein Docker-Image besteht aus mehreren Layern; unveränderte Layer werden nicht neu gebaut oder erneut heruntergeladen.
Hält die Laufzeitumgebung eines beendeten Aufrufs eine Weile vor und nutzt sie beim nächsten Aufruf wieder, was die Initialisierungszeit (Cold Start) verkürzt (Warm Start).
Verkürzt wiederholte Build-Zeiten.
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