本文以Nginx，Rails，Mysql，Redis作為例子，換成其他web服務器，語言，數據庫，緩存服務都是類似的。
以下是3層的示意圖，方便后續引用：
1. 客戶端緩存
一個客戶端經常會訪問同一個資源，比如用瀏覽器訪問網站首頁或查看同一篇文章，或用app訪問同一個api，如果該資源和他之前訪問過的沒有任何改變，就可以利用http規范中的304 Not Modified 響應頭(http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616-sec10.html#sec10.3.5)，直接用客戶端的緩存，而無需在服務器端再生成一次內容。
在Rails里面內置了fresh_when這個方法，一行代碼就可以完成：
class ArticlesController
def show
@article = Article.find(params[:id])
fresh_when :last_modified => @article.updated_at.utc, :etag => @article
end
end
下次用戶再訪問的時候，會對比request header里面的If-Modified-Since和If-None-Match，如果相符合，就直接返回304，而不再生成response body。
但是這樣會遇到一個問題，假設我們的網站導航有用戶信息，一個用戶在未登陸專題訪問了一下，然后登陸以后再訪問，會發現頁面上顯示的還是未登陸狀態。或者在app訪問一篇文章，做了一下收藏，下次再進入這篇文章，還是顯示未收藏狀態。解決這個問題的方法很簡單，將用戶相關的變量也加入到etag的計算里面：
fresh_when :etag => [@article.cache_key, current_user.id]
fresh_when :etag => [@article.cache_key, current_user_favorited]
另外提一個坑，如果nginx開啟了gzip，對rails執行的結果進行壓縮，會將rails輸出的etag header干掉，nginx的開發人員說根據rfc規范，對proxy_pass方式處理必須這樣（因為內容改變了），但是我個人認為沒這個必要，于是用了粗暴的方法，直接將src/http/modules/ngx_http_gzip_filter_module.c這個文件里面的這行代碼注釋掉，然后重新編譯nginx：
//ngx_http_clear_etag(r);
或者你可以選擇不改變nginx源代碼，將gzip off掉，將壓縮用Rack中間件來處理：
config.middleware.use Rack::Deflater
除了在controller里面指定fresh_when以外，rails框架默認使用Rack::ETag middleware，它會自動給無etag的response加上etag，但是和fresh_when相比，自動etag能夠節省的只是客戶端時間，服務器端還是一樣會執行所有的代碼，用curl來對比一下。
Rack::ETag自動加入etag：
curl -v http://localhost:3000/articles/1
Etag: "bf328447bcb2b8706193a50962035619"
X-Runtime: 0.286958
curl -v http://localhost:3000/articles/1 --header 'If-None-Match: "bf328447bcb2b8706193a50962035619"'
X-Runtime: 0.293798
用fresh_when：
curl -v http://localhost:3000/articles/1 --header 'If-None-Match: "bf328447bcb2b8706193a50962035619"'
X-Runtime: 0.033884
2. Nginx緩存
有一些資源可能會被調用很多，又無關用戶狀態，并且很少改變，比如新聞app上的列表api，購物網站上ajax請求分類菜單，可以考慮用Nginx來做緩存。
主要有2種實現方法：
A. 動態請求靜態文件化
在rails請求完成以后，將結果保存成靜態文件，后續請求就會直接由nginx提供靜態文件內容，用after_filter來實現一下：
class CategoriesController ActionController::Base
after_filter :generate_static_file, :only => [:index]
def index
@categories = Category.all
end
def generate_static_file
File.open(Rails.root.join('public', 'categories'), 'w') do |f|
f.write response.body
end
end
end
另外我們需要在任何分類更新的時候，刪除掉這個文件，避免緩存不刷新的問題：
class Category ActiveRecord::Base
after_save :delete_static_file
after_destroy :delete_static_file
def delete_static_file
File.delete Rails.root.join('public', 'categories')
end
end
Rails 4之前，處理這種生成靜態文件緩存可以用內置的caches_page， rails 4之后變成了一個獨立gem actionpack-page_caching，和手工代碼對比一下，
class CategoriesController ActionController::Base
caches_page :index
def update
#...
expire_page action: 'index'
end
end
如果只有一臺服務器，這個方法簡單又實用，但是如果有多臺服務器，就會出現更新分類只能刷新自己本身這臺服務器緩存的問題，可以用nfs來共享靜態資源目錄解決，或者用第2種：
B. 靜態化到集中緩存服務
首先我們得讓Nginx有直接訪問緩存的能力：
upstream redis {
server redis_server_ip:6379;
}
upstream ruby_backend {
server unicorn_server_ip1 fail_timeout=0;
server unicorn_server_ip2 fail_timeout=0;
}
location /categories {
set $redis_key $uri;
default_type text/html;
redis_pass redis;
error_page 404 = @httpapp;
}
location @httpapp {
proxy_pass http://ruby_backend;
}
Nginx首先會用請求的uri作為key去redis里面獲取，如果獲取不到（404）就轉發給unicorn進行處理，然后改寫generate_static_file和delete_static_file方法：
redis_cache.set('categories', response.body)
redis_cache.del('categories')
這樣除了集中管理以外，還能夠設置緩存的失效時間，對于一些更新無時效性要求的數據，就可以不用處理刷新機制，簡單地固定時間刷新一次：
redis_cache.setex('categories', 3.hours.to_i, response.body)
3. 整頁緩存
Nginx緩存在處理帶參數資源或者有用戶狀態的請求時候，就非常難以處理，這個時候可以用到整頁緩存。
比如說分頁請求列表，我們可以將page參數加入到cache_path：
class CategoriesController
caches_action :index, :expires_in => 1.day, :cache_path => proc {"categories/index/#{params[:page].to_i}"}
end
比如說我們只需要針對rss輸出進行緩存8小時：
class ArticlesController
caches_action :index, :expires_in => 8.hours, :if => proc {request.format.rss?}
end
再比如說對于非登陸用戶，我們可以緩存首頁：
class HomeController
caches_action :index, :expires_in => 3.hours, :if => proc {!user_signed_in?}
end
4. 片段緩存
如果說前面2種緩存能夠用到的場景有限，那么片段緩存是適用性最廣的。
場景1：我們需要在每個頁面一段廣告代碼，用來顯示不同廣告，如果沒有使用片段緩存，那么每個頁面都會要去查詢廣告的代碼，并且花費一定時間去生成html代碼：
- if advert = Advert.where(:name => request.controller_name + request.action_name, :enable => true).first
div.ad
= advert.content
加了片段緩存以后，就可以少去這個查詢：
- cache "adverts/#{request.controller_name}/#{request.action_name}", :expires_in => 1.day do
- if advert = Advert.where(:name => request.controller_name + request.action_name, :enable => true).first
div.ad
= advert.content
場景2：閱讀文章，文章的內容可能比較長時間都不會改變，經常變化可能是文章評論，就可以對文章主體部分加上片段緩存：
- cache "articles/#{@article.id}/#{@article.updated_at.to_i}" do
div.article
= @article.content.markdown2html
節約了生成markdown語法轉換到html時間，這里用文章最后更新時間作為cache key的一部分，文章內容如果有改變，緩存自動失效，默認activerecord的cache_key方法也是用updated_at，你也可以加入更多的參數，比如article上有評論數的counter cache，更新評論數的時候不會更新文章時間，可以將這個counter也加入到key的一部分
場景3：復雜頁面結構的生成
數據結構比較復雜的頁面，在生成的時候避免不了大量的查詢和html渲染，用片段緩存，可以將這部分時間大大地節約，以我們網站游記頁面http://chanyouji.com/trips/109123（請允許小小地打個廣告，帶點流量）來說：
需要獲取天氣數據，照片數據，文本數據等，同時還要生成meta，keyword等seo數據，而這些內容又是和其他動態內容交叉，片段緩存就可以分開多個：
- cache "trips/show/seo/#{@trip.fragment_cache_key}", :expires_in => 1.day do
title #{trip_name @trip}
meta name="description" content="..."
meta name="keywords" content="..."
body
div
...
- cache "trips/show/viewer/#{@trip.fragment_cache_key}", :expires_in => 1.day do
- @trip.eager_load_all
小貼士，我在trip對象里面加了一個eager_load_all方法，緩存沒有命中的時候，查詢的時候避免出現n+1問題：
def eager_load_all
ActiveRecord::Associations::Preloader.new([self], {:trip_days => [:weather_station_data, :nodes => [:entry, :notes => [:photo, :video, :audio]]]}).run
end
小技巧1：帶條件的片段緩存
和caches_action不同，rails自帶的片段緩存是不支持條件的，比如說我們想未登陸用戶給他用片段緩存，而登陸用戶不使用，寫起來就很麻煩，我們可以改寫一下helper就可以了：
def cache_if (condition, name = {}, cache_options = {}, block)
if condition
cache(name, cache_options, block)
else
yield
end
end
- cache_if !user_signed_in?, "xxx", :expires_in => 1.day do
小技巧2：關聯對象的自動更新
常使用對象update_at時間戳來作為cache key，可以在關聯對象上加上touch選項，自動更新關聯對象時間戳，比如我們可以在更新或者刪除文章評論的時候，自動個更新：
class Article
has_many :comments
end
class Comment
belongs_to :article, :touch => true
end
5. 數據查詢緩存
通常來說web應用性能瓶頸都出現在DB IO上，做好數據查詢緩存，減少數據庫的查詢次數，可以極大提高整體響應時間。
數據查詢緩存分2種：
A. 同一個請求周期內的緩存
舉一個顯示文章列表的例子，輸出文章標題和文章類別，對應代碼如下
# controller
def index
@articles = Article.first(10)
end
# view
- @articles.each do |article|
h1 = article.name
span = article.category.name
會發生10條類似的sql查詢：
SELECT `categories`.* FROM `categories` WHERE `categories`.`id` = ?
rails內置了query cache（https://github.com/rails/rails/blob/master/activerecord/lib/active_record/connection_adapters/abstract/query_cache.rb），在同一個請求周期內，如果沒有update/delete/insert的操作，會對相同的sql查詢進行緩存，如果文章類別都是相同的話，真正去查詢數據庫只會有1次。
如果文章類別都不一樣，就會出現N+1查詢問題（常見的性能瓶頸），rails推薦的解決方法是用Eager Loading Associations (http://guides.rubyonrails.org/active_record_querying.html#eager-loading-associations)
def index
@articles = Article.includes(:category).first(10)
end
查詢語句會變成
SELECT `categories`.* FROM `categories` WHERE `categories`.`id` in (?,?,?...)
B. 跨請求周期的緩存
同請求周期緩存所帶來性能優化是很有限的，很多時候我們需要用跨請求周期的緩存，將一些常用的數據（比如User model）緩存，對于active record來說，利用統一的查詢接口來fetch cache，利用callback來expire cache，就很容易實現，而且有一些現成的gem可以來用。
比如說 identity_cache (https://github.com/Shopify/identity_cache)
class User ActiveRecord::Base
include IdentityCache
end
class Article ActiveRecord::Base
include IdentityCache
cached_belongs_to :user
end
# 都會命中緩存
User.fetch(1)
Article.find(2).user
這個gem的優點是代碼實現簡單，cache設置靈活，也方便擴展，缺點是需要用不同的查詢方法名（fetch），以及額外的關系定義。
如果想在無數據緩存的應用無縫加入緩存功能，推薦@hooopo做的second_level_cache (https://github.com/hooopo/second_level_cache) 。
class User ActiveRecord::Base
acts_as_cached(:version => 1, :expires_in => 1.week)
end
#還是使用find方法，就會命中緩存
User.find(1)
#無需額外用不一樣的belongs_to定義
Article.find(2).user
實現原理是擴展了active record底層arel sql ast處理 （https://github.com/hooopo/second_level_cache/blob/master/lib/second_level_cache/arel/wheres.rb）
它的優點是無縫接入，缺點是擴展比較困難，對于只獲取少量字段的查詢無法緩存。
6. 數據庫緩存
編輯中
這6種緩存，分布在客戶端到服務器端不同的位置，所能夠節約的時間也正好從多到少依次排列。
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