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Rails 實戰聖經

快取

No code is faster than no code. - Merb core tenet

關於快取，有句話是這樣說的：“There are only two hard things in Computer Science: cache invalidation and naming things” by Phil Karlton。在電腦硬體和軟體架構中，有非常多的設計都是圍繞在快取系統上，越快的效能代表可用的空間越少，這是成本效益。例如個人電腦上的CPU的快取分成L1、L2、L3，然後是記憶體、最後是硬碟空間，這之間的存取速度和可用空間差了好幾個數量級，前者對後者來說，就是一種快取層。而資料一旦被放到快取，就要去處理資料的Consistent一致性問題。設計網站應用程式也是一樣的道理，將運算過後的結果快取起來，下次要用不計算直接讀取就會比較快。但是什麼時候快取資料過期了需要重新運算呢？這就是令人頭痛的cache invalidation問題。

我們在上一章努力避免緩慢的資料庫SQL查詢，但是如果效能需要再進一步提昇，就需要用到快取機制來減少讀取資料庫，以及利用View快取節省樣板rendering時間。

關於實作快取，有幾點觀念:

  • 快取處太多，程式會變複雜，增加維護的難度
  • 快取會增加除錯難度，資料不再只有唯一的資料庫版本
  • 快取如果沒寫好，可能會產生資料不一致的Bug、時間顯示相關的Bug(例如顯示資料的時間，雖然時間不會變，但是如果是要顯示多少小時以前，就會變動了)等等
  • 快取增加了寫程式的難度，像是Expire過期資料、資料的安全性(放在快取層的資料也需要被保護注意安全)
  • 會增加撰寫UI的難度，因為快取相關的程式可能會混在樣本中

Rails內建了快取功能，可以讓我們將SQL結果或是HTML結果放到Cache Store中，這樣下一次就不需要重新運算，大幅提高效能。

Cache Store

Rails提供了幾種不同的Cache Store可以選擇，預設的memory_store只適合單機開發，而且重啟Rails快取資料就不見了。因此正式上線的網站會推薦使用Memcached。它是一套Name-Value Pair(NVP)分散式記憶體快取系統，當你有多個Rails伺服器的時候，也可以很方便的共用快取資料。

使用Mac的話，可以用Homebrew安裝Memcached：

$ brew install memcached

在 Ubuntu Linux 伺服器上，用 apt-get 就可以安裝了：

$ sudo apt-get install memcached

接著編輯Gemfile加上memcached的函式庫

gem "dalli"

編輯config/environments/development.rb和production.rb加上

config.cache_store = :mem_cache_store

快取在開發模式下是關閉的，為了測快取功能可以暫時將confog/environments/development.rb裡面的config.action_controller.perform_caching暫時改成true，記得測完改回false即可。

使用memcached做快取的基本模式就是，先查看有沒有key-value，有就把快取資料讀出來，沒有就運算結果後存到memcached快取資料庫中(你應該假設就算快取系統關閉，你的系統也可以正常執行)。注意到它並不是persistent data store，只要一關掉memcahed重開，裡面的資料就會通通不見。另一個特性是它使用LRU快取演算法(預設是64MB)，當快取的資料超過設定的記憶體容量時，就是自動清除太久沒有使用的資料，這個特性等會我們會看到非常實用。

更深入的memcached用法可以參考筆者如何使用 memcached 做快取一文。

View 快取

Fragment caching可以只快取HTML中的一小段元素，我們可以自由選擇要快取的區塊，例如側欄或是選單等等，讓我們有最大的彈性。也因為這種快取發生在View中，所以我們必須把快取程式放進View中，用cache包起來要快取的Template：

<% cache [@events] do %>
  All events:
	<% @events.each do |event| %>
		<%= event.name %>
	<% end %>
<% end %>

cache的參數是拿來當作快取Key的物件或名稱，我們也可以多加一些名稱來識別。Rails會自動將ActiveRecord物件的最後更新時間、你給的客製名稱，加上Template的內容雜湊自動產生出一個快取Key。

<% cache [:popular, @events] do %>
  All popular events:
<% end %>

更新快取的策略

用了快取，就還要學會怎麼處理過期資料，也就是在資料過期之後，將對應的快取資料清除。Rails採用的策略非常聰明，就是利用LRU快取演算法的特性，根據當時情境來動態命名快取Key，從而避免手動清除快取的動作，反正快取記憶體一滿，沒用到的快取資料就會自動被清除掉。

實際看看Rails產生出來的快取Key吧，例如cache [@event]會產生出以下的快取Key

views/events/3-20141130131120000000000/366bcee2ae9bd3aa0738785aea6ec97d

其中3是Event ID、20141130131120000000000是這個Event的最後更新時間、366bcee2ae9bd3aa0738785aea6ec97d是這個Template內容的雜湊。也就是如果資料有更新，或是Template有改動，那麼產生出來的快取Key就會不一樣，產生出新的快取資料。至於舊的快取資料就不管了，反正滿了就會被LRU自動清掉。

如果放一個ActiveRecord陣列呢，例如cache [:list, @events]，會產生出以下的快取Key：

views/list/events/3-20141130131120000000000/events/4-20141111035115000000000/events/7-20141130131005000000000/events/8-20141111035115000000000/events/9-20141111035115000000000/bbce07d6df6dd28670ad114790c47484

Rails會將所有的最後更新時間都串在一起，只要其中一個最後更新有改，整個快取資料就會重新產生。

這一招當然也不是萬能，例如如果你的資料跟當時語系又有關係，那你就得把語系這個變數也設定到快取Key，例如

<% cache [:list, @events, I18n.locale] %>

當然，我們也可以找地方手動清除快取，例如放到update action之中：

expire_fragment(:popular_events)

用rake tmp:clear指令可以清空全部快取

另一種快取更新的策略是設定Time-based expired，例如設定兩小時後自動過期：

<% cache :popular_events, :expires_in => 2.hours do %>

調校快取Key

做View快取的一個目的就是節省SQL的查詢量，所以實測的一個重點，就是要觀察實際到底發出哪些SQL查詢。在上述的範例中，Rails用了ActiveRecord的最後更新時間來產生快取Key，因此實際上它還是發出SQL查詢來抓到最後更新時間。這部份我們可以做進一步的改進，特別是cache(@events)群集的部分，我們可以用自訂快取Key的方式來改善SQL的效率，例如：

# helper
def cache_key_for_events(page)
  count          = Event.count
  max_updated_at = Event.maximum(:updated_at).try(:utc).try(:to_s, :number)
  "events/all-#{count}-#{max_updated_at}-#{page}"
end

<% cache cache_key_for_events(params[:page]) do %>

這樣就實際的SQL查詢就會從：

SELECT  `events`.* FROM `events` LIMIT 10 OFFSET 0

變成比較有效率的：

SELECT COUNT(*) FROM `events`
SELECT MAX(`events`.`updated_at`) AS max_id FROM `events`

另外要注意是因為有ActiveRecord的Lazy Load特性，所以寫在Controller Action裡的ActiveRecord Query才不會立即送出，而是到真正使用的時候(也就是在Fragment cache範圍裡)才會實際發出SQL查詢。如果真沒有辦法利用到Lazy Load的特性，例如不是ActiveRecord的情況，則可以手動使用fragment_exist?方法在Action裡面檢查是不是已經有快取，有的話就不要執行，例如：

def show
  @event = Event.find(params[:id])
  unless fragment_exist?(@event)
    @result = SomeExpenseQuery.execute(@event)
  end
end

# show.html.erb

<% cache @event do %>
  <%= @event.name %>
  <%= @result %>
<% end %>

Russian Doll快取策略

上述cache [:list, @events]的範例中，如果其中一筆資料有更新，會造成整組@events快取資料都要重新計算，這一點很沒效率。Rails支援nested的疊套方式讓我們可以重用(reuse)其中的快取資料，例如：

<% cache [:list, @events] %>
	All events:
	<% @events.each do |event| %>
		<% cache event do %>
			<%= event.name %>
		<% end %>
	<% end %>
<% end %>

如果其中一筆event有更新，最外圍的快取也會一起更新，但是它不會笨笨的重算每一個小event的快取，只會重算有更新的event而已，其他event則會沿用已經有的快取資料。

ActiveRecord Touch 屬性

被當作快取Key的ActiveRecord物件的最後更新時間updated_at，在一對一或一對多的關係中，預設並不會根據底下的物件而自動更新。例如以下的例子中，如果有新的attendee進來，並不會自動更新該event的最後更新時間，會導致這整個快取不會被更新到。

<% cache event do %>
  <%= event.name %>
  <%= event.attendees.last.try(:name) %>
<% end %>

解決的辦法是使用Touch屬性：

class Attendee < ApplicationRecord
	belongs_to :event, :touch => true
	# ...
end

這樣的話，在新增或編輯attendee後，Rails就會知道要去更新event的最後更新時間，進而重新更新的這份快取了。

快取資料

上述的作法都是將最後的HTML結果快取起來，但是有時候如果形式有很多種，例如同時提供HTML、JSON、XML等，或是有其他程式也想利用同一份快取，這時候我們可以考慮快取資料(字串、陣列或雜湊的基本形式)，而不是最後的HTML：

Rails.cache.read("city")   # => nil
Rails.cache.write("city", "Duckburgh")
Rails.cache.read("city")   # => "Duckburgh"

Rails.cache.fetch("#{id}-data") do
  Book.sum(:amount, :conditions => { :category_id => self.category_ids } )
end

write和fetch支援expires_in參數可以設定時效。

使用HTTP快取

在HTTP 1.1規格中定義了Cache-Control、ETag和Last-Modified等Headers可以更細微的設定用戶端和伺服器之間要如何快取，Rails也有語法可以很方便的支援。這在大型網站的架構中，會搭配HTTP快取伺服器，來獲得最大的效益。例如Varnish或Squid。

HTTP Cache-Control

使用expires_in和expires_now方法。

HTTP ETag 和 Last-Modified

使用fresh_when和stale?方法，當判斷response內容沒有更新的時候，只回傳HTTP 304 Not Modified。

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