キャッシュ:定義とキャッシングが使われるすべての分野
キャッシュが使われる分野を、ハードウェアからウェブまでウィキペディア・MDN・WordPress公式ドキュメントの分類に合わせて1つのツリーにまとめました。CPU、オペレーティングシステム、データベース、ブラウザがすべて同じ名前を使うため、「消す」という言葉も、どの層かによって消える対象が変わります。
キャッシュは、よく使うデータやすぐに必要になるデータを元より速いストレージに一時的に保存しておき、同じリクエストが来ると元の代わりにそのコピーで応答します。
英語版ウィキペディアの Cache (computing) 記事は、キャッシュをCPUキャッシュ・GPUキャッシュのようなハードウェアキャッシュと、ディスク・ウェブ・DNS・データベースキャッシュのようなソフトウェアキャッシュに分けています。下のツリーはこの分類をキャッシュが置かれる場所ごとにまとめ、ウェブキャッシュはMDNのprivate cacheとshared cacheの分類に従いました。
ブラウザ・CDN・サーバー内部キャッシュがWordPressのリクエスト1件を処理する順序は、 ウェブサイトキャッシュ&サーバー内部キャッシュ:WordPressでキャッシュが動く仕組み の記事のシミュレーターで確認できます。
Ⅰ. ユーザー端末
パソコンやスマートフォンのようなユーザー端末のキャッシュは、OSキャッシュ、ブラウザキャッシュ、モバイルアプリのキャッシュに分けられます。
ディスクキャッシュ(ページキャッシュ)はディスクから読んだデータをメモリに残し、オペレーティングシステムのカーネルが管理します。DNSキャッシュは最近照会したドメインとIPアドレスを保存します。
同じリソースを再びリクエストするとき、サーバーまで行かないか、変更されたかだけを確認します。Service Worker(Cache API)を使うと、オフラインでも保存されたリソースでウェブアプリを開けます。
大容量コンテンツを扱うアプリは、受け取ったデータと最近見たリストを端末に保存し、同じデータを再び受け取りません。
Ⅱ. サーバー・アプリケーションのキャッシュ
サーバー側のキャッシュは、リクエストがサーバーに届いた後、ページを作る過程に付くキャッシュです。WordPress公式ドキュメントは、これをキャッシュプラグイン(ページキャッシュ)、オブジェクトキャッシュ、サーバーキャッシュ(OPcacheのようなopcodeキャッシュ)に分けて説明しています。
同じページのリクエストには、PHPを実行せずに保存されたコピーを送ります。キャッシュプラグインとウェブサーバーのキャッシュがあります。
同じファイルを再び実行するとき、コンパイルを省きます。PHP 5.5から標準で含まれています。
よく使うデータをメモリストアに保存し、同じクエリを繰り返しません。
ウェブフレームワークが、レンダリングしたテンプレートとクエリ結果を独自のキャッシュに保存します。
Ⅲ. コンテンツ配信/ネットワークインフラのキャッシュ
ネットワークインフラのキャッシュは、訪問者とオリジンサーバーの間でコピーで応答し、物理的な距離とオリジンサーバーの負荷を減らします。HTTPキャッシュ標準では、複数の訪問者が共有するshared cacheにあたります。
世界中に分散したサーバーのうち、訪問者に最も近いサーバーから配信します。構造と利点は CDNとは?CDNを使う理由と5つの利点 の記事にあります。
フォワードプロキシは企業ネットワークのようにクライアント側の前段で、リバースプロキシはサーバーの前段で応答を保存します。
ネットワーク機器はARPキャッシュに、通信事業者・公開DNSリゾルバーは照会結果をレコードのTTLの間保存します。
Ⅳ. データベース・ストレージシステムのキャッシュ
データベースとストレージはディスクの入出力が遅いため、よく読むデータをメモリに載せて使います。
よく読むデータとインデックスをメモリに保持します。MySQLのクエリキャッシュは8.0で削除され、MariaDBには残っていますが標準ではオフです。
ハードディスクのコントローラーに内蔵されたメモリとSSD内のDRAMがデータを一時的に保存し、入出力の遅延を減らします。
Ⅴ. ハードウェアレベルのキャッシュ
ハードウェアキャッシュはCPUとGPUの中にある高速メモリで、メインメモリ(RAM)より速くデータを処理します。
L1はコアごとに別々にあり命令キャッシュとデータキャッシュに分かれ、L3はコア全体で共有します。メモリ管理ユニット(MMU)は仮想アドレスを物理アドレスに変換した結果をTLBに保存します。
ゲーム、3Dグラフィックス、機械学習の演算でGPUの処理効率を高めます。
Ⅵ. クラウド/仮想化環境のキャッシュ
クラウドと仮想化環境では、コンテナイメージ、関数の実行環境、ビルド成果物を再利用し、デプロイと実行の時間を短縮します。
Dockerイメージは複数のレイヤーで構成され、変更されていないレイヤーは再ビルドや再ダウンロードをしません。
呼び出しが終わった実行環境を一定時間保持し、次の呼び出しで再利用して初期化時間(Cold Start)を短縮します(Warm Start)。
繰り返しのビルド時間を短縮します。
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