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Django缓存系统实现过程解析

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在动态网站中，用户每次请求一个页面，服务器都会执行以下操作：查询数据库，渲染模板，执行业务逻辑，最后生成用户可查看的页面。

这会消耗大量的资源，当访问用户量非常大时，就要考虑这个问题了。

缓存就是为了防止重复计算，把那些消耗了大量资源的结果保存起来，下次访问时就不用再次计算了。缓存的逻辑：

given a URL, try finding that page in the cache
if the page is in the cache:
 return the cached page
else:
 generate the page
 save the generated page in the cache (for next time)
 return the generated page

Django提供了不同粒度的缓存：你可以缓存某个页面，也可以只缓存很难计算、很消耗资源的某个部分，或者直接缓存整个网站。

Django也可以和一些”下游”缓存一起协作，例如Squid和基于浏览器的缓存，这些类型的缓存你不直接控制，但是你可以提供给他们站点哪部分应该被缓存和怎样被缓存(通过HTTP headers)。

设置缓存

在settings中的CACHES中设置缓存，下面是几个可用的缓存选项：

Memcached

Django目前原生支持的最快最有效的缓存系统。要使用Memcached，需要下载Memcached支持库，一般是python-memcached或者pylibmc。

然后设置BACKEND为django.core.cache.backends.memcached.MemcachedCache(使用python-memcached时)或者django.core.cache.backends.memcached.PyLibMCCache(使用pylibmc时)。

设置LOCATION为ip:port或者unix:path。例如：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.memcached.MemcachedCache',
  'LOCATION': '127.0.0.1:11211',
 }
}

或者

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.memcached.MemcachedCache',
  'LOCATION': 'unix:/tmp/memcached.sock',
 }
}

当使用pylibmc时，去掉unix:/前缀：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.memcached.PyLibMCCache',
  'LOCATION': '/tmp/memcached.sock',
 }
}

还可以在多台机器上运行Memcached进程，程序将会把这组机器当作一个单独的缓存，而不需要在每台机器上复制缓存值：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.memcached.MemcachedCache',
  'LOCATION': [
   '172.19.26.240:11211',
   '172.19.26.242:11212',
   '172.19.26.244:11213',
  ]
 }
}

由于Memcached是基于内存的缓存，数据只存储在内存中，如果服务器死机的话数据会丢失，所以不要把内存缓存作为唯一的数据存储方法。

Database caching

Django也可以把缓存数据存储在数据库中。

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.db.DatabaseCache',
  'LOCATION': 'my_cache_table',
 }
}

LOCATION为数据库中table的名字，任意起，在数据库中未被使用过即可以。

创建cache table：

python manage.py createcachetable

使用多数据库时，也需要为cache table写Router：

class CacheRouter(object):
 """A router to control all database cache operations"""
 
 def db_for_read(self, model, **hints):
  "All cache read operations go to the replica"
  if model._meta.app_label == 'django_cache':
   return 'cache_replica'
  return None
 
 def db_for_write(self, model, **hints):
  "All cache write operations go to primary"
  if model._meta.app_label == 'django_cache':
   return 'cache_primary'
  return None
 
 def allow_migrate(self, db, app_label, model_name=None, **hints):
  "Only install the cache model on primary"
  if app_label == 'django_cache':
   return db == 'cache_primary'
  return None

Filesystem caching

也可以使用文件来存储缓存数据。

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.filebased.FileBasedCache',
  'LOCATION': '/var/tmp/django_cache',
 }
}

LOCATION为缓存数据存储目录。

windows中：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.filebased.FileBasedCache',
  'LOCATION': 'c:/foo/bar',
 }
}

Local-memory caching

Django默认使用的缓存系统，数据存储在本地内存中：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.locmem.LocMemCache',
  'LOCATION': 'unique-snowflake',
 }
}

Dummy caching (for development)

开发时使用的：

CACHES = {
 'default': {
  'BACKEND': 'django.core.cache.backends.dummy.DummyCache',
 }
}

Using a custom cache backend

也可以使用其它的缓存系统，比如Redis，django-redis地址https://github.com/niwinz/django-redis 。

下载：pip install django-redis

设置：

CACHES = {
 "default": {
  "BACKEND": "django_redis.cache.RedisCache",
  "LOCATION": "redis://127.0.0.1:6379/1",
  "OPTIONS": {
   "CLIENT_CLASS": "django_redis.client.DefaultClient",
  }
 }
}

Cache arguments

CACHES设置中有几个额外的参数：

TIMEOUT：缓存超时时间，默认为300s，可以设置为None，即永不超时。

OPTIONS : locmem, filesystem和database缓存系统这些有自己的剔除策略的系统有以下的参数：

MAX_ENTRIES : 缓存中存放的最大条目数，大于这个数时，旧的条目将会被删除，默认为300.

CULL_FREQUENCY：当达到MAX_ENTRIES的时候,被接受的访问的比率。实际的比率是1/cull_frequency,所以设置为2就是在达到max_entries时去除一半数量的缓存，设置为0意味着达到max_entries时,缓存将被清空。这个值默认是3。

KEY_PREFIX:一个会自动列入缓存key值的的字符串。

VERSION:缓存key值生成时使用的版本数字。

KEY_FUNCTION：key值最终生成所使用的方法。

缓存网站

要缓存整个网站，首先添加两个中间件：

MIDDLEWARE = [
 'django.middleware.cache.UpdateCacheMiddleware',
 'django.middleware.common.CommonMiddleware',
 'django.middleware.cache.FetchFromCacheMiddleware',
]

注意update中间件要放在首位，fetch中间件放在最后。

在settings中添加以下值：

FetchFromCacheMiddleware中间件用来缓存通过GET和HEAD方法获取的状态码为200的响应。同一个url，带有不同的查询字符串，会当做不同的页面分别缓存。

UpdateCacheMiddleware中间件在响应HttpResponse中设置几个headers：

views逻辑函数也可以自己设置过期时间：

缓存页面

使用django.views.decorators.cache.cache_page()来缓存某个页面：

from django.views.decorators.cache import cache_page
 
@cache_page(60 * 15)
def my_view(request):
 ...

60*15是缓存15分钟。

cache参数可以设置使用CACHES中的哪一个cache系统，默认是default：

@cache_page(60 * 15, cache="special_cache")
def my_view(request):
 ...

key_prefix参数和CACHE_MIDDLEWARE_KEY_PREFIX设置起得作用相同：

@cache_page(60 * 15, key_prefix="site1")
def my_view(request):
 ...

可以在url中使用此方法：

from django.views.decorators.cache import cache_page
urlpatterns = [
 url(r'^foo/([0-9]{1,2})/$', cache_page(60 * 15)(my_view)),
]

模板片段缓存

{% load cache %}
{% cache 500 sidebar %}
 .. sidebar ..
{% endcache %}

{% cache %}模板标签会缓存block内容，至少包括两个参数：缓存时间和缓存片段的name。

可以根据变化的动态数据为一个片段缓存不同的copies：

{% load cache %}
{% cache 500 sidebar request.user.username %}
 .. sidebar for logged in user ..
{% endcache %}

CACHE API

根据CACHES设置中的cache别名获取cache系统：

>>> from django.core.cache import caches
>>> cache1 = caches['myalias']
>>> cache2 = caches['myalias']
>>> cache1 is cache2
True

获取默认default的cache：

>>> from django.core.cache import cache

基本用法set(key, value, timeout) 和get(key):：

>>> cache.set('my_key', 'hello, world!', 30)
>>> cache.get('my_key')
'hello, world!'

key为字符串，value为 picklable的python对象。timeout设置为None时，缓存永不过时，设置为0时不缓存。

设置Vary header

Django默认是使用url地址作为cache的key值的，也就是对相同的url请求会返回相同的缓存。如果想根据不同的请求首部字段(比如cookie, language, user-agent)缓存不同的内容，可以设置Vary首部字段。

from django.views.decorators.vary import vary_on_headers
 
@vary_on_headers('User-Agent')
def my_view(request):
 ...

上述代码会为不同的user-agent设置单独的缓存。也可以传多个headers：

@vary_on_headers('User-Agent', 'Cookie')
def my_view(request):
 ...

上述代码当user-agent和cookie都相同时才会有相同的缓存。

cookie是比较常用的，有单独的装饰器，下面代码是相通的：

@vary_on_cookie
def my_view(request):
 ... 
@vary_on_headers('Cookie')
def my_view(request):
 ...

Cache-Control头部

可以使用cache_control装饰器来设定Cache-Control头部。

设置对特定的用户提供缓存服务：

from django.views.decorators.cache import cache_control
@cache_control(private=True)
def my_view(request):
 ...

设置时间：

from django.views.decorators.cache import cache_control
@cache_control(max_age=3600)
def my_view(request):
 ...

等等，可用的Cache-Control指令(IANA registry)都可使用。

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