Implement cache trong .NET không chỉ để tăng tốc – và cả tư duy kiến trúc tổng thể

Khi tìm cách tối ưu hóa hiệu suất trong ứng dụng, điều đầu tiên tôi nghĩ đến là sử dụng cache.

Trong bài viết này, tôi sẽ đưa khái niệm cache, các phương án cache phổ biến, lợi thế của từng loại. Đồng thời, chúng ta cùng trải nghiệm ở code mẫu sử dụng C#, áp dụng DI tương tự như bài toán tìm kiếm để triển khai cache linh hoạt trong các bài toán cần sử dụng nhé.

Cache là gì?

Cache là kỹ thuật lưu trữ tạm thời dữ liệu được truy cập thường xuyên để giảm thời gian truy xuất, giảm tải cho hệ thống (như cơ sở dữ liệu, API) và cải thiện trải nghiệm người dùng. Trong ứng dụng .NET, cache có thể được áp dụng cho dữ liệu tĩnh, kết quả tính toán nặng, hoặc phản hồi từ dịch vụ bên ngoài.

Ví dụ: Thay vì truy vấn cơ sở dữ liệu mỗi khi người dùng muốn xem 1 sản phẩm, thay vì gọi trực tiếp vào database, ta lưu kết quả vào cache và tái sử dụng, tiết kiệm thời gian và tài nguyên.

Hay một ví dụ khác doanh thu hàng tháng, ta lưu vào cache để khỏi phải tổng hợp mỗi lần client gọi đến - ví dụ này nghe hơi phi lý phải không? Bạn hãy trả lời câu hỏi này, sử dụng phương án nào, sau khi đã đọc những phương án cache dưới đây nhé.

Tại sao Caching lại Quan trọng?

• Tăng tốc Độ phản hồi (Reduced Latency): Truy cập dữ liệu từ cache (thường là trong bộ nhớ hoặc một hệ thống cache nhanh) nhanh hơn rất nhiều so với việc lấy lại từ nguồn gốc (ví dụ: query database, gọi API qua mạng).
• Giảm tải Hệ thống Lõi (Reduced Load): Bằng cách phục vụ dữ liệu từ cache, bạn giảm số lượng request đến database, API bên ngoài, hoặc các tài nguyên tốn kém khác, giúp chúng hoạt động ổn định hơn và giảm chi phí.
• Cải thiện Khả năng Mở rộng (Improved Scalability): Giảm tải cho phép hệ thống xử lý nhiều người dùng hoặc request đồng thời hơn với cùng một lượng tài nguyên.
• Tăng Tính sẵn sàng (Increased Availability): Ngay cả khi hệ thống nguồn tạm thời không khả dụng, cache vẫn có thể cung cấp dữ liệu (dù có thể hơi cũ), giúp ứng dụng hoạt động một phần.

Các phương án cache phổ biến

Dưới đây là các phương án cache phổ biến trong phát triển .NET, cùng lợi thế của từng loại:

1. In-Memory Cache (Bộ nhớ trong)

Mô tả: Lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ RAM của ứng dụng. .NET cung cấp IMemoryCache trong thư viện Microsoft.Extensions.Caching.Memory.

Lợi thế:

• Tốc độ cực nhanh: Dữ liệu nằm trong bộ nhớ, truy cập gần như tức thời.
• Dễ triển khai: Tích hợp sẵn trong .NET, không cần cơ sở hạ tầng bổ sung.
• Phù hợp ứng dụng nhỏ: Lý tưởng cho ứng dụng đơn lẻ, dữ liệu nhỏ hoặc không yêu cầu đồng bộ giữa các máy chủ.

Hạn chế: Không chia sẻ được giữa các máy chủ trong môi trường phân tán; dung lượng giới hạn bởi RAM.

2. Distributed Cache (Cache phân tán)

Mô tả: Lưu trữ dữ liệu trên một hệ thống riêng biệt (như Redis, Memcached) để nhiều máy chủ có thể truy cập. .NET hỗ trợ qua IDistributedCache trong Microsoft.Extensions.Caching.Abstractions.

Lợi thế:

• Khả năng mở rộng: Dễ dàng mở rộng trong môi trường nhiều máy chủ (distributed systems).
• Đồng bộ hóa: Dữ liệu cache được chia sẻ giữa các instance của ứng dụng.
• Độ bền cao hơn: Một số hệ thống (như Redis) hỗ trợ lưu trữ lâu dài trên đĩa.

Hạn chế: Yêu cầu cài đặt và quản lý server riêng (Redis, Memcached), độ trễ cao hơn so với in-memory.

3. File-Based Cache (Cache dựa trên tệp)

Mô tả: Lưu dữ liệu vào tệp trên đĩa, thường dùng cho dữ liệu ít thay đổi hoặc cần lưu lâu dài.

Lợi thế:

• Dung lượng lớn: Không bị giới hạn bởi RAM, phù hợp cho dữ liệu lớn.
• Đơn giản: Dễ triển khai, không cần phần mềm bên thứ ba.
• Lâu dài: Dữ liệu vẫn tồn tại sau khi ứng dụng khởi động lại.

Hạn chế: Tốc độ chậm hơn do I/O đĩa, không phù hợp cho dữ liệu cần truy cập nhanh hoặc môi trường phân tán.

4. Hybrid Cache (Cache kết hợp)

Mô tả: Kết hợp in-memory và distributed cache, ví dụ: lưu dữ liệu nóng (hot data) trong bộ nhớ, dữ liệu ít dùng hơn trong Redis.

Lợi thế:

• Cân bằng hiệu suất và chi phí: Tối ưu tốc độ cho dữ liệu thường dùng, tiết kiệm tài nguyên cho dữ liệu ít truy cập.
• Linh hoạt: Phù hợp cho ứng dụng phức tạp với nhu cầu đa dạng.

Hạn chế: Phức tạp hơn để triển khai và quản lý.

Triển khai ICacheService bằng C# trong .NET

Để thống nhất cách sử dụng các loại cache, tôi sẽ thiết kế một giao diện ICacheService làm wrapper, cho phép dễ dàng chuyển đổi giữa các phương án cache mà không thay đổi mã gọi. Dưới đây là mã mẫu và giải thích.

1. Interface ICacheService

Interface này định nghĩa các phương thức cơ bản cho cache: lưu, lấy, và xóa.

• GetAsync<T>: Lấy giá trị từ cache theo key, trả về null nếu không tồn tại.
• SetAsync<T>: Lưu giá trị vào cache với key và thời gian hết hạn (expiry) tùy chọn.
• RemoveAsync: Xóa mục cache theo key.

2. Wrapper cho In-Memory Cache

Sử dụng IMemoryCache từ Microsoft.Extensions.Caching.Memory.

• Dùng IMemoryCache để lưu trữ trong bộ nhớ.
• SetAsync thiết lập thời gian hết hạn (mặc định 5 phút nếu không chỉ định).
• Tốc độ nhanh, dễ tích hợp, nhưng chỉ hoạt động trong phạm vi một instance.

Wrapper cho Distributed Cache

Sử dụng IDistributedCache với Redis làm ví dụ - cần cài đặt package Microsoft.Extensions.Caching.StackExchangeRedis.

• Dùng IDistributedCache để tương tác với Redis (hoặc hệ thống cache phân tán khác).
• Dữ liệu được tuần tự hóa (serialize) thành JSON để lưu trữ và giải tuần tự hóa (deserialize) khi lấy.
• Phù hợp cho hệ thống phân tán, cần cấu hình Redis (ví dụ: chuỗi kết nối trongappsettings.json).

4. Wrapper cho File-Based Cache

Lưu trữ dữ liệu vào tệp trên đĩa, sử dụng JSON để tuần tự hóa.

• Lưu dữ liệu dưới dạng tệp JSON trong thư mục được chỉ định.
• Expiry được giả lập bằng cách xóa tệp sau một khoảng thời gian.
• Phù hợp cho dữ liệu tĩnh, không cần truy cập nhanh.

5. Sử dụng ICacheService

Dưới đây là cách tích hợp ICacheService vào ứng dụng, sử dụng Dependency Injection (DI) trong .NET.

• Sử dụng DI để đăng ký ICacheService với triển khai cụ thể (Memory, Distributed, hoặc File).
• Dễ dàng chuyển đổi giữa các loại cache chỉ bằng cách thay đổi dòng đăng ký dịch vụ.
• Dữ liệu được lưu, lấy, và xóa một cách thống nhất qua ICacheService.

Phòng tránh Cache Stampede - Cơn BÃO Cache

Vấn đề

Khi một cache item phổ biến (ví dụ: trang chủ, sản phẩm hot) hết hạn, nếu có nhiều request đến cùng lúc, tất cả chúng sẽ thấy cache miss và cùng lúc gọi vào hàm lấy dữ liệu gốc (_repository.GetByIdAsync). Điều này tạo ra một đỉnh tải đột ngột lên hệ thống lõi.

Giải pháp kỹ thuật - sử dụng Locking

• Sử dụng một cơ chế khóa (như SemaphoreSlim(1, 1) cho async code) để đảm bảo rằng chỉ một request được phép đi lấy dữ liệu từ nguồn gốc khi cache miss. Các request khác đến trong lúc đó sẽ chờ.
• Double-Checked Locking: Sau khi giành được lock, request cần kiểm tra lại cache một lần nữa. Có thể một request khác đã lấy xong dữ liệu và điền vào cache trong lúc nó chờ lock.
• Expiration Jitter: Thêm một khoảng thời gian ngẫu nhiên nhỏ (vài giây) vào thời gian hết hạn (TTL) của cache. Điều này giúp các cache item không hết hạn chính xác cùng một thời điểm, phân tán tải theo thời gian.
• Distributed Cache: Vấn đề này cũng xảy ra với distributed cache. Giải pháp tương tự có thể áp dụng, nhưng cần cơ chế locking phân tán (ví dụ: dùng RedLock.net với Redis) hoặc các tính năng tích hợp của hệ thống cache (một số cache provider có cơ chế chống stampede).

Best Practices:

• Cache cái gì?: Cache các dữ liệu đọc nhiều, ít thay đổi, hoặc tốn kém để tạo ra.
• Đừng Cache mọi thứ: Caching thêm độ phức tạp. Chỉ cache khi nó thực sự mang lại lợi ích về hiệu năng hoặc giảm tải.
• Chọn đúng loại Cache: In-Memory cho tốc độ tối đa, dữ liệu không cần chia sẻ. Distributed cho khả năng mở rộng, chia sẻ và bền bỉ. File-based cho dữ liệu lớn, giảm tải cho RAM.
• Chọn TTL hợp lý: cân bằng giữa việc giảm tải và độ "tươi" của dữ liệu. TTL quá ngắn làm giảm hiệu quả cache, TTL quá dài làm tăng nguy cơ dữ liệu cũ.
• Key Cache nhất quán: Sử dụng một quy ước đặt tên key rõ ràng và nhất quán.
• Xử lý Cache Miss: Luôn có logic để lấy dữ liệu từ nguồn gốc khi cache không có (cache miss).
• Cache Invalidation là thách thức: cần lên kế hoạch cẩn thận cho việc vô hiệu hóa cache, đặc biệt với distributed cache.
• Serialization Overhead (Distributed Cache): Lưu ý chi phí/hiệu suất của việc serialize/deserialize dữ liệu.
• Theo dõi và đo lường: Sử dụng logging và monitoring để theo dõi tỷ lệ cache hit/miss và hiệu quả của caching.

Kết luận

Cache là một công cụ mạnh mẽ để tăng tốc ứng dụng, và việc chọn phương án phù hợp (in-memory, distributed, file-based, hoặc hybrid) phụ thuộc vào nhu cầu của bạn: tốc độ, khả năng mở rộng, hay độ bền.

Đồng thời, với interface ICacheService, bạn có thể xây dựng hệ thống linh hoạt, dễ bảo trì và chuyển đổi giữa các loại cache mà không làm gián đoạn mã hiện tại.

Bạn đã sử dụng cache trong dự án như thế nào? Phương án yêu thích của bạn là gì? Hãy chia sẻ kinh nghiệm để cộng đồng cùng học hỏi trong phần bình luận nhé!

Nguồn tham khảo:

• Caching in .NET - Microsoft Docs
• Redis Cache with .NET - Microsoft Docs

/Son Do - I share real-world lessons, team building & developer growth.

#DotNet #Caching #SoftwareArchitecture #CleanCode #performanceoptimization #wecommit100xshare #1percentbetter