キャッシュ戦略の基本的なパターンについて

Webアプリケーションや分散システムでパフォーマンスを高めるために不可欠なのが「キャッシュ」の基本的な活用パターンについて書く。

キャッシュアサイド（Cache Aside）
リードスルー（Read Through）
ライトスルー（Write Through）
ライトバック（Write Back）
ライトアラウンド（Write Around）

キャッシュアサイド（Cache Aside）

概要

アプリケーション側が必要に応じてキャッシュを明示的に操作するパターンである。

graph TD
    A[アプリケーション] -->|読み込み要求| B[キャッシュ]
    B -->|ヒット| A
    B -->|ミス| C[データベース]
    C -->|データ取得| A
    A -->|キャッシュに保存| B

    A -->|書き込み| C
    A -->|キャッシュ無効化| B

sequenceDiagram
    participant A as アプリケーション
    participant C as キャッシュ
    participant D as データベース

    Note over A,D: 読み込み処理（キャッシュミス）
    A->>C: データ要求
    C->>A: キャッシュミス
    A->>D: データ取得
    D->>A: データ返却
    A->>C: データをキャッシュに保存

    Note over A,D: 書き込み処理
    A->>D: データ更新
    D->>A: 更新完了
    A->>C: キャッシュ無効化

読み込み時の流れ

キャッシュにデータがあるか確認（キャッシュヒット）
なければDBから取得してキャッシュに保存（キャッシュミス）

書き込み時の流れ

データベースを更新
必要に応じてキャッシュを削除 or 更新

特徴

キャッシュ管理をアプリケーションが行う
読み込み頻度が高く、更新頻度が低いデータに向いている
キャッシュとDBの整合性はアプリ側の責任である

利用例

Redis、Memcached等を使ったWebアプリケーション

リードスルー（Read Through）

概要

読み込み時にキャッシュがDBからの取得を自動的に処理するパターンである。アプリケーションはキャッシュのみとやり取りし、キャッシュミス時の処理は透過的に行われる。

graph TD
    A[アプリケーション] -->|読み込み要求| B[キャッシュ]
    B -->|ヒット| A
    B -->|ミス時自動取得| C[データベース]
    C -->|データ返却| B
    B -->|自動保存後返却| A

    A -->|書き込み| C

sequenceDiagram
    participant A as アプリケーション
    participant C as キャッシュ
    participant D as データベース

    Note over A,D: 読み込み処理（キャッシュミス）
    A->>C: データ要求
    C->>D: 自動的にDB取得
    D->>C: データ返却
    C->>C: 自動キャッシュ保存
    C->>A: データ返却

    Note over A,D: 書き込み処理
    A->>D: データ更新（キャッシュバイパス）
    D->>A: 更新完了

読み込み時の流れ

アプリケーションはキャッシュに読み込み要求
キャッシュヒット時はそのまま返却
キャッシュミス時はキャッシュ自身がDBからデータを取得し、自動的にキャッシュに保存してからアプリケーションに返却

特徴

キャッシュがDBアクセスを透過的に処理する
アプリケーションはキャッシュの存在を意識しなくて良い
キャッシュミス時の処理がアプリケーションから隠蔽される
書き込みは通常DBに直接行う

利用例

ORMのL2キャッシュ機能、CDN、プロキシキャッシュ、Hibernate等

ライトスルー（Write Through）

概要

書き込み操作がまずキャッシュに行われ、同時にDBにも書き込む戦略である。

graph TD
    A[アプリケーション] -->|書き込み要求| B[キャッシュ]
    B -->|同期書き込み| C[データベース]
    C -->|完了通知| B
    B -->|完了通知| A

    A -->|読み込み要求| B
    B -->|キャッシュヒット| A

sequenceDiagram
    participant A as アプリケーション
    participant C as キャッシュ
    participant D as データベース

    Note over A,D: 書き込み処理
    A->>C: データ更新要求
    C->>D: 同期書き込み
    D->>C: 書き込み完了
    C->>A: 更新完了通知

    Note over A,D: 読み込み処理
    A->>C: データ要求
    C->>A: キャッシュヒット（データ返却）

書き込み時の流れ

キャッシュを更新
同じ内容をDBにも即時反映

特徴

キャッシュとDBが常に整合性を保つ
書き込みの遅延はやや大きい
読み込みは高速かつ一貫性がある

利用例

一貫性が重視されるユーザープロファイル、設定情報、マスターデータなど

ライトバック（Write Back）

概要

書き込み操作はまずキャッシュにのみ反映し、DBへの書き込みは非同期的に遅延処理される。

graph TD
    A[アプリケーション] -->|書き込み要求| B[キャッシュ]
    B -->|即座に完了通知| A
    B -->|非同期でバッチ書き込み| C[データベース]

    A -->|読み込み要求| B
    B -->|キャッシュヒット| A

    D[バックグラウンドプロセス] -->|定期的に| B
    D -->|まとめて書き込み| C

sequenceDiagram
    participant A as アプリケーション
    participant C as キャッシュ
    participant D as データベース
    participant B as バックグラウンドプロセス

    Note over A,D: 書き込み処理（非同期）
    A->>C: データ更新要求
    C->>A: 即座に完了通知

    Note over A,D: 読み込み処理
    A->>C: データ要求
    C->>A: キャッシュヒット（データ返却）

    Note over A,D: バックグラウンド同期
    B->>C: ダーティデータ確認
    C->>B: 未同期データ返却
    B->>D: バッチ書き込み
    D->>B: 書き込み完了

書き込み時の流れ

キャッシュにのみ書き込み（ダーティマーク付与）
アプリケーションには即座に完了を通知
後でバッチ or イベント駆動でDBを更新

特徴

書き込みが高速（低レイテンシ）
クラッシュ時にデータ消失のリスクがある
高頻度な更新に向く（同じキーへの連続更新が最終結果だけで済む）
ダーティデータの管理が重要

利用例

CPUキャッシュ、ログ、ゲームの一時スコア、計測データなど

ライトアラウンド（Write Around）

概要

書き込み操作をキャッシュに反映せず、DBのみに書き込む戦略である。

graph TD
    A[アプリケーション] -->|書き込み要求| C[データベース]
    C -->|完了通知| A

    A -->|読み込み要求| B[キャッシュ]
    B -->|ミス| C
    C -->|データ取得| B
    B -->|キャッシュに保存後返却| A

    B -.->|キャッシュをバイパス| X[書き込み時はスキップ]

sequenceDiagram
    participant A as アプリケーション
    participant C as キャッシュ
    participant D as データベース

    Note over A,D: 書き込み処理（キャッシュバイパス）
    A->>D: データ更新（キャッシュスキップ）
    D->>A: 更新完了

    Note over A,D: 読み込み処理（キャッシュミス）
    A->>C: データ要求
    C->>A: キャッシュミス
    A->>D: データ取得
    D->>A: データ返却
    A->>C: データをキャッシュに保存

書き込み時の流れ

キャッシュをバイパスしてDBへ直接書き込み

読み込み時の流れ

読み込み時にキャッシュミスが発生 → DBから読み出してキャッシュに保存

特徴

書き込みがキャッシュを汚染しない（不要なデータをキャッシュに載せない）
書いた直後の読み込みでミスが起きやすい（キャッシュに存在しないため）

利用例

アクセスログ、一時ファイル、バックアップデータなど（低頻度アクセスのレコード）

各パターンの比較表

戦略	概要	読み込み高速	書き込み高速	整合性	キャッシュ管理
キャッシュアサイド	アプリが明示的にキャッシュ操作	◎	△（管理必要）	△（手動）	アプリが管理
リードスルー	キャッシュが透過的にDB取得	◎	△（DBに直接）	△（読み込み時のみ）	自動（読み込み）
ライトスルー	キャッシュとDBに同時書き込み	◎	△（同期待機）	◎（常に同期）	自動
ライトバック	キャッシュのみ書き込み後で同期	◎	◎（非同期）	△（遅延同期）	自動（リスクあり）
ライトアラウンド	書き込み時はキャッシュバイパス	◎	◎（DB直接）	△（読み込みで整合）	自動

まとめ

どの戦略がベストかは、ユースケースとトレードオフによる。

読み込みが主で整合性も重視 → ライトスルー
読み込みの透過性を重視 → リードスルー
書き込み性能最重視、若干のデータ消失リスクOK → ライトバック
低頻度アクセス、キャッシュ効率重視 → ライトアラウンド
細かい制御が必要、開発工数をかけられる → キャッシュアサイド

選択時は以下の要素を考慮する：

整合性要件: 強整合性が必要かどうか
性能要件: 読み込み/書き込みのどちらを重視するか
可用性要件: データ消失リスクの許容度
運用コスト: 管理の複雑さと開発工数

キャッシュ戦略をうまく使いこなすことで、アプリケーションの性能と可用性は大きく向上する。各プロジェクトの要件に合った選択が重要である。