Кэш LRU

Что такое кэш LRU?

Кэш LRU — это система кэширования, которая удаляет наименее недавно использованный элемент, когда ей нужно освободить место для новых данных.

LRU расшифровывается как Least Recently Used — «наименее недавно использованный».

В криптоиндустрии кэш LRU — это не токен, блокчейн, кошелек или торговый продукт.

Это шаблон проектирования программного обеспечения, который используют узлы блокчейна, кошельки, обозреватели, индексаторы, RPC-сервисы, dApp-приложения и аналитические системы для быстрого получения часто используемых данных.

Кэш хранит копии данных, повторное получение которых обходится дорого или занимает много времени.

В документации Redis по вытеснению ключей объясняется, что Redis часто используют как кэш для ускорения чтения данных с более медленных серверов или баз данных.

Кэш LRU сохраняет недавно запрошенные данные, поскольку недавнее использование часто указывает на то, что эти данные могут понадобиться снова в ближайшее время.

Когда кэш достигает предела памяти, в первую очередь из него вытесняется элемент, к которому дольше всего не обращались.

Как работает кэш LRU

Кэш LRU отслеживает порядок обращения к элементам.

Когда пользователь, узел или приложение запрашивает элемент, кэш проверяет, сохранен ли он уже.

Если элемент найден, это называется попаданием в кэш.

Если элемент не найден, это называется промахом кэша.

При промахе кэша система должна получить данные из более медленного источника, например с диска, из базы данных, узла блокчейна, внешнего API или от удаленного узла.

После получения данные сохраняются в кэше для возможного повторного использования.

Если кэш уже заполнен, система удаляет элемент, к которому дольше всего не обращались.

Это простое правило помогает сохранять актуальные данные и удалять более старые, которые с меньшей вероятностью понадобятся в ближайшее время.

Зачем кэш LRU нужен в криптоиндустрии

Криптосистемы обрабатывают большие объемы повторяющихся данных.

Кошельки могут регулярно запрашивать балансы, метаданные токенов, оценки комиссии за газ, недавние транзакции и изображения NFT.

Обозреватели блокчейна могут многократно предоставлять данные о популярных блоках, квитанциях о транзакциях, страницах токенов, истории адресов и смарт-контрактах.

RPC-сервисы могут неоднократно отвечать на запросы о номере последнего блока, состоянии аккаунта, логах, квитанциях о транзакциях или ответах смарт-контрактов.

Узлы могут использовать кэширование, чтобы сократить количество обращений к диску, нагрузку на базы данных, сетевые запросы и повторные вычисления.

Без кэширования многие криптоприложения работали бы медленнее и обходились бы дороже.

Кэш LRU помогает поддерживать отзывчивость инфраструктуры и ограничивать использование памяти.

Кэш LRU и узлы блокчейна

Узлы блокчейна должны хранить, проверять, получать и передавать большие объемы данных.

Полному узлу может потребоваться доступ к блокам, заголовкам, данным состояния, индексам транзакций, информации о пирах, данным мемпула и результатам выполнения.

В документации Ethereum Portal Network объясняется, что узлы Ethereum хранят полную или частичную копию блокчейна и используют эти локальные данные для проверки транзакций и отслеживания правильной цепочки.

Объем данных блокчейна может быть большим, поэтому узлам часто нужны эффективные с точки зрения памяти способы хранения часто используемых данных.

Кэш LRU может помочь узлу хранить в памяти недавно использованные данные блоков, результаты поиска состояния, записи аккаунтов или информацию о пирах.

Это позволяет сократить количество затратных операций чтения данных с носителей и ускорить ответы.

Однако кэширование не заменяет проверку данных.

Узел блокчейна по-прежнему должен проверять данные в соответствии с правилами протокола.

Кэш LRU и RPC API

RPC API позволяют кошелькам, dApp-приложениям, торговым инструментам, аналитическим платформам и серверным системам запрашивать данные блокчейна у узлов.

В документации Ethereum JSON-RPC объясняется, что методы Ethereum JSON-RPC используются для запроса сетевых данных и могут быть сгруппированы по категориям, например gossip, state и history.

Многие RPC-запросы часто повторяются, особенно в периоды высокой активности пользователей.

Кэш LRU может сохранять недавние ответы на запросы, которые безопасно кэшировать, например метаданные блоков, квитанции, логи или информацию о токенах.

Это позволяет сократить задержки для пользователей и снизить нагрузку на серверные узлы.

Однако не все ответы RPC следует кэшировать одинаково.

Для свежих данных, таких как ожидающие подтверждения транзакции, актуальные балансы и оценки комиссии за газ, могут потребоваться очень короткие сроки хранения в кэше или полный отказ от кэширования.

Кэш LRU и криптокошельки

Криптокошельки используют кэшированные данные, чтобы ускорить работу для пользователя.

Кошелек может кэшировать значки и названия токенов, метаданные NFT, недавние контакты, оценки комиссии за газ, статус транзакций и ранее загруженные балансы.

Без кэширования при каждом открытии экрана кошельку, возможно, пришлось бы заново получать одни и те же данные от узла или через API.

Кэш LRU позволяет держать недавно просмотренные активы и аккаунты готовыми к быстрому отображению.

Это полезно, когда пользователь переключается между токенами, сетями, аккаунтами и dApp-приложениями.

Кэширование в кошельках требует осторожности, поскольку устаревшие данные могут ввести пользователей в заблуждение.

Например, старый баланс или статус транзакции может заставить пользователя подумать, что средства пропали или транзакция все еще ожидает подтверждения, хотя состояние блокчейна уже изменилось.

Кэш LRU и обозреватели блокчейна

Работа обозревателей блокчейна во многом зависит от быстрого получения данных.

Пользователи часто ищут недавние блоки, популярные контракты токенов, активные адреса, хеши транзакций и события смарт-контрактов.

Кэш LRU помогает обозревателю быстрее обрабатывать повторные запросы.

Например, вскоре после появления недавно добытый блок может получить много просмотров.

Популярный контракт токена может многократно запрашиваться во время рыночного события.

Пользователи могут часто обновлять страницу известного хеша транзакции, ожидая подтверждений.

Кэширование LRU помогает держать недавно запрошенную информацию рядом с приложением.

Это повышает производительность и избавляет систему от необходимости постоянно хранить в памяти все возможные данные.

Кэш LRU и индексаторы

Индексаторы упорядочивают данные блокчейна, чтобы приложения могли эффективно выполнять запросы.

Они могут обрабатывать блоки, логи, переводы токенов, балансы, NFT, события DeFi, голоса в управлении и вызовы смарт-контрактов.

Индексаторы часто используют базы данных, поскольку напрямую запрашивать исходные данные блокчейна не всегда удобно.

Кэш LRU можно разместить перед базой данных индексатора, чтобы ускорить повторяющиеся запросы.

Например, панель управления DeFi может регулярно запрашивать одни и те же данные о пуле ликвидности или историю кошелька.

Кэширование недавно полученных результатов позволяет снизить нагрузку на базу данных индексатора и ускорить ответы.

Это особенно полезно в периоды высокой нагрузки, например во время запуска токенов, аирдропов, голосований по вопросам управления или высокой волатильности рынка.

Кэш LRU и мемпулы

Мемпул — это набор действительных неподтвержденных транзакций на узле, ожидающих включения в блоки.

Мемпулы отличаются от обычных кэшей приложений, однако для них также нужны ограничения памяти и правила вытеснения данных.

В обзоре кластерного мемпула Bitcoin Optech рассказывается о важности вытеснения транзакций из мемпула, когда его размер превышает лимит узла.

Этот пример помогает понять, почему управление памятью важно для блокчейн-систем.

Кэш LRU вытесняет элементы с учетом давности обращения, а при вытеснении транзакций из мемпула могут учитываться комиссии, связи между транзакциями и стимулы майнинга.

Это сравнение показывает, что разным компонентам криптосистем нужны разные правила вытеснения данных.

LRU полезен, когда недавнее обращение указывает на вероятность повторного запроса, но для отбора транзакций с учетом экономических факторов этот подход подходит не всегда.

Кэш LRU и метаданные NFT

NFT-приложения часто используют кэширование, поскольку загрузка метаданных и медиафайлов может занимать много времени.

Интерфейс NFT-маркетплейса, кошелек или галерея могут кэшировать недавно просмотренные изображения, данные о коллекциях, информацию о характеристиках и метаданные токенов.

Кэш LRU может ускорить загрузку, когда пользователи просматривают одни и те же коллекции или возвращаются к недавно просмотренным NFT.

Однако метаданные NFT могут изменяться, обновляться с задержкой или храниться в разных системах.

Если кэш слишком долго хранит старые метаданные, пользователи могут видеть устаревшие изображения или характеристики.

Это особенно важно во время раскрытия изображений и атрибутов NFT, а также при работе с динамическими NFT, игровыми предметами и обновлениями метаданных.

NFT-приложениям следует сочетать вытеснение по LRU с проверкой актуальности, версионированием метаданных и разумными настройками срока хранения.

Кэш LRU и приложения DeFi

Приложения DeFi часто отображают данные, которые быстро меняются.

К ним относятся цены токенов, ликвидность, ставки заимствования, коэффициенты обеспечения, резервы пулов, пороги ликвидации и позиции пользователей.

Кэш LRU можно использовать для повторного чтения относительно стабильной информации, например списков токенов, ABI контрактов, исторических графиков и настроек пулов.

С ним нужно быть осторожным при работе с чувствительными ко времени данными, такими как цены, коэффициенты здоровья позиции или сведения о ликвидации.

Устаревший кэш DeFi может представлять серьезный риск для пользователей.

Например, старый коэффициент обеспечения может создать у заемщика ложное впечатление, что его позиция безопаснее, чем на самом деле.

В DeFi важна производительность, но точность и актуальность данных еще важнее.

Кэш LRU и торговые инструменты

Криптовалютные торговые инструменты могут кэшировать данные графиков, индикаторы, метаданные токенов, торговые пары, последние свечи и настройки интерфейса пользователя.

Кэш LRU избавляет от необходимости заново загружать одни и те же рыночные данные при каждом переключении между экранами.

Это может повысить плавность работы панелей и сократить количество запросов к серверной части.

Однако торговые данные могут очень быстро устаревать.

Для цены, спреда, глубины книги ордеров, ставок финансирования и данных о ликвидации могут требоваться обновления в реальном времени, а не длительное кэширование.

Кэш LRU лучше всего подходит для данных, которые допустимо получать с небольшой задержкой или которые часто обновляются в кэше.

Торговые системы не должны выдавать устаревшие кэшированные данные за текущую ситуацию на рынке.

Кэш LRU и кэш LFU

Кэш LRU удаляет наименее недавно использованный элемент.

Кэш LFU удаляет элемент, который использовался реже всего.

В документации Redis среди доступных семейств политик вытеснения перечислены LRU и LFU.

LRU полезен, когда недавняя активность хорошо предсказывает активность в ближайшем будущем.

LFU подходит, когда долгосрочная популярность важнее времени последнего обращения.

В криптоприложениях LRU может хорошо работать для экранов кошельков, недавних транзакций, последних блоков и активных панелей.

LFU может лучше подходить для метаданных популярных токенов, часто используемых ABI контрактов или справочных данных, которые регулярно загружаются.

Во многих рабочих системах используют сочетание политик, а не одно простое правило для всех случаев.

Кэш LRU и кэш TTL

Кэш TTL удаляет данные после истечения заданного срока хранения.

Кэш LRU удаляет данные с учетом давности обращения, когда память заполнена.

Эти подходы можно использовать вместе.

Например, кошелек может применять LRU, чтобы хранить метаданные недавно просмотренных токенов, и одновременно использовать TTL для принудительного обновления данных через определенное время.

Такое сочетание полезно в криптоиндустрии, поскольку к некоторым данным обращаются регулярно, но при этом важно ограничивать срок их актуальности.

Для балансов, цен, оценок комиссии за газ и статусов транзакций могут требоваться короткие значения TTL.

Для изображений, значков и статичных описаний токенов могут подходить более длительные значения TTL.

Преимущества кэша LRU

Первое преимущество кэша LRU — скорость.

Недавно использованные данные можно получить быстрее, чем повторно загружать их с диска, узла или через удаленный API.

Второе преимущество — снижение нагрузки на инфраструктуру.

Повторные запросы можно обрабатывать из памяти, не обращаясь к ресурсоемким серверным системам.

Третье преимущество — контролируемое использование памяти.

Вытеснение по LRU не дает кэшу расти без ограничений.

Четвертое преимущество — простота.

Принцип LRU легко понять, и он широко поддерживается различными программными инструментами.

Пятое преимущество — практическая польза.

Для многих криптосистем характерно частое обращение к недавно использованным данным, поэтому LRU может быть разумным вариантом по умолчанию.

Ограничения кэша LRU

Главное ограничение кэша LRU заключается в том, что недавнее использование не всегда означает ценность данных в будущем.

Резкий всплеск разовых запросов может вытеснить из кэша полезные данные.

Это называется загрязнением кэша.

Еще одно ограничение — устаревание данных.

Если кэшированные данные блокчейна или рынка обновляются неправильно, пользователи могут видеть устаревшую информацию.

Третье ограничение — дополнительные затраты памяти, поскольку системе необходимо отслеживать порядок обращений.

Четвертое ограничение — риски конкурентного доступа: в многопоточных приложениях необходимо защищать состояние кэша от гонок данных.

Пятое ограничение заключается в том, что LRU подходит не для всех задач блокчейна, особенно если экономическая ценность, безопасность или правила консенсуса важнее давности обращения.

Риски безопасности при использовании кэша LRU в криптоиндустрии

Кэш LRU может создавать проблемы с безопасностью или надежностью, если разработчики кэшируют неподходящие данные.

Конфиденциальные данные пользователей нельзя хранить в общей памяти без строгого контроля доступа.

Приватные ключи, сид-фразы, пароли от кошельков, секреты аутентификации и данные для подписания транзакций нельзя обрабатывать как обычные элементы кэша.

Кэшированные результаты авторизации также могут быть опасны, если права доступа изменились, а старые результаты остаются активными.

Устаревшие кэшированные ответы RPC могут вводить пользователей в заблуждение в условиях быстро меняющегося рынка.

Злоумышленники также могут попытаться вызвать загрязнение кэша, направляя системе большое количество необычных запросов.

При проектировании кэшей в криптосистемах необходимо учитывать безопасность, актуальность данных, изоляцию и мониторинг.

Как разработчикам безопасно использовать кэш LRU

Разработчикам следует кэшировать только те данные, которые безопасно использовать повторно.

Нужно устанавливать четкие ограничения памяти, чтобы кэш не потреблял слишком много ресурсов.

Следует отслеживать попадания и промахи кэша, частоту вытеснения, задержки и нагрузку на память.

В документации Redis по вытеснению ключей отмечается, что показатели попаданий и промахов помогают оценить производительность кэша.

Для данных, которые со временем меняются, разработчикам следует задавать значения TTL.

Не следует кэшировать приватные секреты и данные для подписания транзакций.

При необходимости нужно разделять пространства имен кэша по пользователям, сетям, блокчейнам, контрактам и средам.

Следует тестировать поведение кэша при высокой нагрузке, реорганизации цепочки, ошибках RPC и сбоях серверной части.

Распространенные заблуждения о кэше LRU

Распространенное заблуждение состоит в том, что кэш LRU всегда хранит самые важные данные.

На самом деле он хранит данные, которые использовались недавно, а они могут быть как важными, так и неважными.

Еще одно заблуждение — будто кэширование повышает достоверность данных блокчейна.

Кэширование ускоряет получение данных, но не подтверждает их достоверность.

Третье заблуждение — считать LRU лучшей политикой вытеснения во всех случаях.

Некоторым криптосистемам больше подходят правила вытеснения, основанные на комиссиях, частоте использования, времени или приоритете.

Четвертое заблуждение заключается в том, что кэшированные данные всегда актуальны.

Без надлежащих правил обновления и инвалидации кэшированные данные могут устареть.

Часто задаваемые вопросы

Что означает кэш LRU?

LRU Cache означает кэш Least Recently Used — кэш, который удаляет наименее недавно запрошенный элемент, когда заполняется.

Кэш LRU — это криптотокен?

Нет. Кэш LRU — это метод кэширования данных в программном обеспечении, а не криптовалюта или актив блокчейна.

Чем кэш LRU полезен в криптоиндустрии?

Он помогает кошелькам, узлам, обозревателям, RPC-сервисам и индексаторам быстрее возвращать повторно запрашиваемые данные блокчейна и контролировать использование памяти.

Что такое попадание в кэш?

Попадание в кэш происходит, когда запрошенные данные уже доступны в кэше.

Что такое промах кэша?

Промах кэша происходит, когда запрошенных данных в кэше нет и их необходимо получить из другого источника.

Можно ли использовать кэш LRU для узлов блокчейна?

Да, узлы блокчейна могут использовать кэширование по принципу LRU для недавно запрошенных данных, но кэширование не заменяет проверку данных по правилам протокола.

Может ли кэш LRU содержать устаревшие данные?

Да, кэшированные данные могут устареть, если приложение не использует правильные правила обновления, инвалидации или TTL.

Подходит ли кэш LRU для данных DeFi?

Он может быть полезен для стабильных справочных данных, однако быстро меняющуюся информацию DeFi, например цены и состояние обеспечения, необходимо своевременно обновлять.

Чем LRU отличается от LFU?

LRU удаляет наименее недавно использованный элемент, а LFU — элемент, который использовался реже всего.

Следует ли хранить приватные ключи в кэше LRU?

Нет. Приватные ключи, сид-фразы и секреты для подписания транзакций нельзя хранить как обычные элементы кэша.

Заключение

Кэш LRU — это практичный программный метод, который позволяет хранить недавно использованные данные и удалять старые неиспользуемые данные при ограниченной памяти.

В криптоиндустрии кэширование LRU может повысить производительность узлов, кошельков, обозревателей блокчейна, RPC-сервисов, индексаторов, NFT-приложений, панелей DeFi и торговых инструментов.

Оно помогает сократить повторные обращения к базам данных, запросы к блокчейну, сетевые вызовы и задержки при загрузке данных.

Однако кэш LRU нужно проектировать тщательно, поскольку блокчейн-системам часто необходимы актуальные, точные и защищенные данные.

Устаревшие балансы, цены, статусы транзакций и небезопасно кэшированные разрешения могут создавать реальный риск для пользователей.

LRU полезен, когда недавнее обращение указывает на вероятность повторного доступа к данным, однако это правило вытеснения подходит не для всех криптосистем.

Разработчикам следует сочетать LRU с правилами TTL, проверкой данных, мониторингом, контролем доступа и тщательной инвалидацией кэша.

Для пользователей криптовалют главное просто понять следующее.

Кэш LRU не меняет блокчейн, но при безопасной реализации может ускорить работу блокчейн-приложений, снизить расходы на их эксплуатацию и сделать их удобнее.