【ITニュース解説】Mengenal Jenis-jenis Caching di Aplikasi Web & API

ウェブアプリケーションやAPIを開発する上で、「キャッシング」は非常に重要な技術要素の一つである。キャッシングとは、一度取得したデータを一時的に保存しておき、次に同じデータが必要になったときに保存場所から素早く取り出すことで、データアクセスを高速化する仕組みを指す。これにより、何度も同じデータをデータベースから読み込んだり、複雑な計算を繰り返したりする手間が省け、結果としてサーバーの負荷を軽減し、ネットワークの帯域幅を節約し、ユーザーへの応答速度を向上させることができる。しかし、キャッシングには様々な種類があり、それぞれが異なる特性や用途を持つため、それぞれの仕組みと適切な使い方を理解することが肝要となる。

まず、「ブラウザキャッシュ」、またはHTTPキャッシングと呼ばれる種類がある。これはウェブブラウザが、ウェブサーバーから受け取った画像、CSSファイル、JavaScriptファイルといったリソースや、APIの応答結果などを自動的にユーザーのコンピュータに保存する仕組みだ。サーバーはこれらのリソースを送る際に「Cache-Control: max-age=3600」のように、そのデータをどれくらいの期間ブラウザに保存してよいかをHTTPヘッダーで指示する。また、「ETag」や「Last-Modified」といったヘッダーを使うことで、ブラウザは保存しているデータがサーバー側で更新されているかどうかを効率的に確認できる。更新がなければ、サーバーはデータの再送信をせずに、ブラウザに保存された古いデータを使うよう指示する。このタイプのキャッシュは、ウェブサイトの見た目を構成する静的なファイルや、ユーザーのプロフィール情報のように頻繁には変わらないAPIのデータに適している。ただし、ログイン情報のような機密性の高いデータは安易にキャッシュすべきではない。また、新しいバージョンのファイルがリリースされた際に、古いキャッシュが使われ続けることを避けるため、「/app.js?v=2」のようにファイル名にバージョン番号を付加する「キャッシュバスティング」という工夫が必要になることもある。

次に「アプリケーションレベルキャッシュ」、またはインメモリキャッシュと呼ばれるものがある。これは、ウェブアプリケーション自体が自身のメモリ領域内にデータを一時的に保存する方式だ。例えば、Node.jsのMapオブジェクトやJavaのSpringフレームワークの@Cacheableアノテーションなどで実装される。メモリは非常に高速なため、ここからデータを読み出す速度は抜群だが、アプリケーションが再起動すると保存されていたデータはすべて消えてしまうという特徴を持つ。また、データがアプリケーションのメモリ内に存在するため、複数のアプリケーションサーバー（インスタンス）が動いている環境では、それぞれのサーバーが独自のキャッシュを持つことになり、キャッシュの内容に不整合が生じる可能性がある。そのため、この種類のキャッシュは、軽量で非常に頻繁にアクセスされる小さなデータ、例えば、ある形式から別の形式への変換結果や、JSONの解析結果など、再起動で失われても問題ない一時的なデータに適している。

より大規模なシステムでよく利用されるのが「分散キャッシュ」だ。これはRedisやMemcachedといった専用のキャッシュサーバーにデータを保存する方式である。アプリケーションのメモリではなく、外部の独立したサービスとしてキャッシュを管理するため、複数のアプリケーションサーバーからでも同じキャッシュデータにアクセスできる。これにより、アプリケーションの規模を拡大してもキャッシュを共有し、一貫性を保つことが可能になる。特に、データベースからの読み込みが非常に多いが更新は少ないAPI、例えば商品カタログ情報やニュース記事一覧のようなデータに有効だ。また、ユーザーのログインセッション情報を保存したり、一定時間内のリクエスト数を制限するレートリミット、非同期処理のキュー、リアルタイム通信のPub/Sub（Publish/Subscribe）システムなど、様々な用途で活用される。この種類のキャッシュを使う際には、データが更新されたときにキャッシュを削除したり（キャッシュ無効化戦略）、一定期間で自動的にキャッシュを破棄するTTL（Time-To-Live）を設定したりするなどの管理が重要になる。

「データベースクエリキャッシュ」というものも存在する。これは、MySQLやPostgreSQLといった一部のデータベースシステムが内部に持っている機能で、特定のSQLクエリの実行結果をデータベース自身が一時的に保存し、次に全く同じクエリが実行されたときに、実際のデータ検索を行わずに保存しておいた結果を返す仕組みである。読み込み専用で、完全に同じクエリが頻繁に実行される場合には効果を発揮する可能性もあるが、現代の多くのデータベースシステムでは、このクエリキャッシュはデフォルトで無効化されていることが多い。なぜなら、データの更新が多い環境ではキャッシュの無効化処理が頻繁に発生し、かえってデータベース全体のパフォーマンスを低下させるオーバーヘッドになることがあるためだ。そのため、一般的にはデータベースのクエリキャッシュに頼るよりも、先述のRedisのような分散キャッシュシステムを導入する方が、より効率的で管理しやすいとされている。

さらに、「リバースプロキシ / CDNキャッシュ」も重要な役割を果たす。NginxやCloudflare、VarnishといったリバースプロキシやCDN（Content Delivery Network）は、ウェブサーバー（オリジンサーバー）の手前に配置され、ユーザーからのリクエストを受け取る。そして、ウェブサーバーからの応答（レスポンス）を一時的に保存する。次に同じコンテンツへのリクエストがあった場合、ウェブサーバーにリクエストを転送せず、自身が保存しているキャッシュを直接ユーザーに返す。CDNの場合は、ユーザーの地理的に最も近い「エッジサーバー」にキャッシュを配置するため、物理的な距離による通信遅延も大幅に削減できる。このキャッシュは、アクセス数の多い公開ウェブサイトや、誰でもアクセスできる静的ファイル、キャッシュしても問題ない公開APIなどに非常に効果的だ。ウェブサーバーの負荷を劇的に軽減し、応答速度を向上させるが、個別のユーザー向けの情報やプライベートなAPIの応答を誤ってキャッシュし、他のユーザーに表示してしまうような事故を防ぐための厳重な設定と注意が必要である。

最後に「クライアントサイドキャッシュ」、特にモバイルアプリやデスクトップアプリにおけるキャッシュがある。これは、アプリケーションが自身のローカルストレージ（例：SQLite、Realm、ファイルシステム）にAPIからのデータなどを保存する方式だ。ウェブブラウザのキャッシュと似ているが、これはブラウザではなく、ネイティブアプリケーションが能動的にデータを管理する。例えば、オフライン環境でもアプリが動作するようにデータを持っておきたい場合（チャットアプリの履歴、メモアプリの内容、ECサイトの商品情報など）や、モバイル回線の帯域幅を節約したい場合に有効だ。サーバーが「304 Not Modified」という応答を返した場合、アプリはローカルに保存されている古いデータを利用するといった連携も行われる。ただし、ローカルに保存されたデータとサーバー上のデータとの間に矛盾が生じないよう、適切な同期メカニズムを実装することが非常に重要になる。

これらのキャッシュ技術を適切に組み合わせることで、アプリケーションはより堅牢で高速になる。例えば、ウェブサイトの画像やCSSなどの静的ファイルにはブラウザキャッシュを積極的に利用し、頻繁にアクセスされる重いデータベースクエリの結果はRedisのような分散キャッシュに保存する。APIが動的な内容を返す場合でも、ETagやLast-Modifiedヘッダーを使って帯域幅の節約を図る。そして、大規模な公開アプリケーションにはCDNを導入し、世界中のユーザーに高速なコンテンツ配信を行うことが推奨される。しかし、どのような場合であっても、ユーザーの個人情報や認証トークンといった機密性の高いデータは決してキャッシュしないという原則を厳守すべきである。

キャッシングは単にアプリケーションを高速化するだけの技術ではない。それは、データベースへのアクセス回数を減らし、ネットワークの帯域幅使用量を削減し、結果としてサーバーインフラの運用コストを節約するといった、アプリケーション全体の効率性を高めるための戦略でもある。しかし、誤ったキャッシング戦略は、古くなったデータがユーザーに表示される「データ陳腐化」、システム間でのデータ不整合、最悪の場合には機密情報の漏洩といった深刻な問題を引き起こす可能性がある。そのため、それぞれのキャッシュの種類がどのように機能し、どのような状況で最適であるかを深く理解し、アプリケーションの要件に最も適したキャッシング戦略を選択することが、システムエンジニアにとって非常に重要なスキルとなる。キャッシングは強力なツールだが、その力を正しく使いこなすための知識と注意が必要不可欠である。