Использование кэширования в Web-приложениях

Цель лекции: изучить принципы использования кэширования при создании Web-приложений. На практических примерах рассмотреть возможности ASP.NET по организации различных видов кэширования как целых страниц, так и их частей.

Web-приложения целесообразно создавать в тех случаях, когда необходимы хорошие показатели масштабируемости и производительности. Количество пользователей таких приложений может достигать десятков и сотен тысяч. Каждое обращение пользователя может приводить к необходимости чтения и записи каких-либо данных на жесткие диски сервера. В тех случаях, когда некоторая часть информации является более востребованной, чем ее другие части, целесообразно использовать кэширование данных. Как известно, кэширование способно значительно ускорить работу как аппаратных, так и программных частей компьютера. Практически все современные устройства хранения и передачи данных используют кэш-память для ускорения работы за счет минимизации задержек, связанных с ожиданием окончания записи, чтения или передачи данных.

В ASP.NET кэширование - это способ ускорения работы за счет организации хранения в оперативной памяти сервера копий информации, создание которой связано с большими накладными расходами. Так, если пользователи постоянно запрашивают информацию, для получения которой необходимо выполнить достаточно громоздкую, сложную и длительную вычислительную процедуру, целесообразно будет выполнить ее один раз, записать результат ее выполнения в кэш и при обращении пользователей сразу выдавать результат. Понятно, что такой подход значительно ускорит процесс получения пользователями результата.

Но применение кэширования не только приводит к повышению производительности и масштабируемости, но и создает ряд проблем, которые необходимо знать и уметь их обходить. Одна из таких проблем - это то, что кэширование задействует оперативную память, которая никогда не бывает лишней. Если попытаться сохранить в оперативной памяти слишком много данных, операционная система сбрасывает лишние данные на диск, что может привести к замедлению работы всей системы в целом. Для управления этим процессом в ASP.NET реализован интеллектуальный механизм определения переполнения кэша, который основан на том, что при попытке записи в кэш данных, объем которых превышает доступный для кэша объем оперативной памяти, ASP.NET выборочно удалит из кэша часть данных для обеспечения максимальной общей производительности системы. Кроме того, при использовании механизмов кэширования необходимо помнить, что должен быть некий принцип, согласно которому будет осуществляться проверка обновления информации в кэше. Если данные таблицы базы данных или файла изменились, это может означать, что данные кэша устарели и их необходимо обновить. ASP.NET 2.0 предоставляет усовершенствованный механизм управления кэшированием, реализуя все необходимые элементы управления политикой кэширования. В частности, он позволяет управлять замещением информации, находящейся в кэше, управлять профилями кэшей, с помощью которых можно определить настройки кэширования для группы страниц, управлять хранением содержимого кэша в оперативной памяти и на жестких дисках, отслеживать изменения в исходных данных и удалять или объявлять недействительными кэшированные элементы.

Основы кэширования в ASP.NET

ASP.NET поддерживает два типа кэширования: кэширование данных и кэширование вывода. Рекомендуется использовать оба эти типа кэширования, т. к. это способно значительно повысить производительность приложения.

Кэширование данных управляется непосредственно из кода ASPNET-приложения, в котором разработчик сам определяет, какую информацию необходимо поместить в кэш. Страницы, к которым обращаются пользователи, могут проверять существование интересующей их информации в кэше, прежде чем выполнять шаги, необходимые для ее получения. В этом смысле кэширование можно сравнить с состоянием приложения, с той лишь разницей, что при невозможности сохранения данных в кэше они удаляются; кроме того, возможно настроить автоматическое удаление данных из кэша по истечении определенного времени.

Кэширование вывода позволяет сохранить копию сгенерированной HTML-страницы, отправленной клиенту. Таким образом, если еще один или несколько клиентов запросят у сервера ту же страницу, они получат ее копию из кэша.

Упомянутые виды кэширования стали основой для создания еще двух разновидностей.

• Кэширование фрагментов - позволяет сохранять в кэше лишь часть готового HTML-кода страницы. В основном это относится к пользовательским элементам управления.
• Кэширование источников данных - встроенный в объекты доступа к данным механизм кэширования данных, который запускается автоматически при использовании соответствующего элемента.

Рассмотрим основные аспекты применения кэширования в ASP.NET

Кэширование вывода

При использовании данного вида кэширования сгенерированный в результате выполнения приложения HTML-код сохраняется в памяти, и при повторном запросе этой же страницы клиенту передается уже сгенерированный ранее HTML-код.

В качестве демонстрации возможностей кэширования вывода воспользуемся хорошо известным примером вывода значения текущего времени и даты в окно браузера.

Создадим новое Web-приложение, откроем редактор кода страницы и введем следующую команду в обработчик события Page_Load:

Response.Write(DateTime.Now.ToString());

При запуске на страницу будет выводиться текущая дата и время. Если нажать кнопку "Обновить" в окне браузера, показания времени изменятся в соответствии с текущим значением системных часов.

Рис. 9.1. Результат отображения текущей даты и времени в окне браузера без использования кэширования

Добавим данную страницу в кэш. Для этого добавим к файлу страницы директиву

<%@ OutputCache Duration="10" VaryByParam="None" %>

Атрибут Duration задает количество секунд, в течение которых необходимо хранить страницу в кэше. Параметр VaryByParam, равный значению None, устанавливает режим кэширования, при котором, независимо от дополнительных параметров, в кэше будет сохраняться только одна копия данной страницы.

Теперь при запуске приложения в окне браузера будет выведено текущее значение времени и дата, однако при попытке обновления страницы никаких изменений текущих значений происходить не будет в течение 10 секунд. При попытке обновления страницы по истечении 10 секунд обновится текущее значение времени, а также дата.

Несмотря на явное указание времени, в течение которого страница должна находиться в кэше, она может быть удалена из него ранее. Это может произойти в том случае, если для помещения в кэш нового элемента не хватает места. Благодаря такому механизму, реализованному в ASP.NET, можно не заботиться о необходимости очищения памяти кэша.

Выше уже отмечались некоторые потенциальные проблемы, связанные с кэшированием страницы вывода. Одним из таких случаев является использование данных, передаваемых странице через строку запроса. При установленном режиме кэширования, рассматриваемом выше, несмотря на ввод в строку адреса значений переменных страница сохраняется в кэше заданные 10 секунд. Однако такое поведение можно изменить, если указать в качестве значения параметра VaryByParam значение "*", которое устанавливает режим кэширования страниц, содержащих строку запроса. При этом ASP.NET начинает кэшировать отдельные копии страницы для разных значений аргументов, указанных в строке запроса.

Рис. 9.2. Кэширование страницы для разных значений аргументов, указанных в строке запроса

Использование значения "*" в качестве значения параметра VaryByParam в некоторых случаях способно вызвать дополнительные проблемы. Дело в том, что в некоторых типах приложений достаточно часто применяется передача множества параметров в строке запроса. Если значение хотя бы одного из передаваемых параметров будет отличаться от значения такого же параметра кэшированной страницы, запрашиваемая страница будет кэширована вновь. Например, если в строке запроса передается информация о клиенте, а также о выбранном им товаре, понятно, что количество комбинаций клиента и товара достаточно велико, а следовательно, практически все запрашиваемые страницы будут помещены в кэш, причем их повторное использование будет стремиться к 0. В этом случае целесообразно выявить те параметры, которые наиболее часто нужны для передачи параметров с высокой степенью повторного использования, и указать их в качестве значения параметра VaryByParam. Например, следующая строка дает команду ASP.NET для кэширования только тех страниц, которые содержат параметр ClientID, чье значение, в свою очередь, отличается от уже сохраненного в кэше.

<%@ OutputCache Duration="30" VaryByParam="ClientID" %>