Spring Cache二级缓存
雨点的名字 人气:1本文主要介绍了基于Spring Cache实现二级缓存(Caffeine+Redis),具体如下:
一、聊聊什么是硬编码使用缓存?
在学习Spring Cache之前,笔者经常会硬编码的方式使用缓存。
我们来举个实际中的例子,为了提升用户信息的查询效率,我们对用户信息使用了缓存,示例代码如下:
@Autowire private UserMapper userMapper; @Autowire private RedisCache redisCache; //查询用户 public User getUserById(Long userId) { //定义缓存key String cacheKey = "userId_" + userId; //先查询redis缓存 User user = redisCache.get(cacheKey); //如果缓存中有就直接返回,不再查询数据库 if (user != null) { return user; } //没有再查询数据库 user = userMapper.getUserById(userId); //数据存入缓存,这样下次查询就能到缓存中获取 if (user != null) { stringCommand.set(cacheKey, user); } return user; }
相信很多同学都写过类似风格的代码,这种风格符合面向过程的编程思维,非常容易理解。但它也有一些缺点:
代码不够优雅。业务逻辑有四个典型动作:存储,读取,修改,删除。每次操作都需要定义缓存Key ,调用缓存命令的API,产生较多的重复代码;
缓存操作和业务逻辑之间的代码耦合度高,对业务逻辑有较强的侵入性。侵入性主要体现如下两点:
开发联调阶段,需要去掉缓存,只能注释或者临时删除缓存操作代码,也容易出错;
某些场景下,需要更换缓存组件,每个缓存组件有自己的API,更换成本颇高。
如果说是下面这样的,是不是就优雅多了。
@Mapper public interface UserMapper { /** * 根据用户id获取用户信息 * * 如果缓存中有直接返回缓存数据,如果没有那么就去数据库查询,查询完再插入缓存中,这里缓存的key前缀为cache_user_id_,+传入的用户ID */ @Cacheable(key = "'cache_user_id_' + #userId") User getUserById(Long userId); }
再看实现类
@Autowire private UserMapper userMapper; //查询用户 public User getUserById(Long userId) { return userMapper.getUserById(userId); }
这么一看是不是完全和缓存分离开来,如果开发联调阶段,需要去掉缓存那么直接注释掉注解就好了,是不是非常完美。
而且这一整套实现都不要自己手动写,Spring Cache就已经帮我定义好相关注解和接口,我们可以轻易实现上面的功能。
二、Spring Cache简介
Spring Cache是Spring-context包中提供的基于注解方式使用的缓存组件,定义了一些标准接口,通过实现这些接口,就可以通过在
方法上增加注解来实现缓存。这样就能够避免缓存代码与业务处理耦合在一起的问题。
Spring Cache核心的接口就两个:Cache
和CacheManager
1、Cache接口
该接口定义提供缓存的具体操作,比如缓存的放入、读取、清理:
package org.Springframework.cache; import java.util.concurrent.Callable; public interface Cache { // cacheName,缓存的名字,默认实现中一般是CacheManager创建Cache的bean时传入cacheName String getName(); //得到底层使用的缓存,如Ehcache Object getNativeCache(); // 通过key获取缓存值,注意返回的是ValueWrapper,为了兼容存储空值的情况,将返回值包装了一层,通过get方法获取实际值 ValueWrapper get(Object key); // 通过key获取缓存值,返回的是实际值,即方法的返回值类型 <T> T get(Object key, Class<T> type); // 通过key获取缓存值,可以使用valueLoader.call()来调使用@Cacheable注解的方法。当@Cacheable注解的sync属性配置为true时使用此方法。 // 因此方法内需要保证回源到数据库的同步性。避免在缓存失效时大量请求回源到数据库 <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader); // 将@Cacheable注解方法返回的数据放入缓存中 void put(Object key, Object value); // 当缓存中不存在key时才放入缓存。返回值是当key存在时原有的数据 ValueWrapper putIfAbsent(Object key, Object value); // 删除缓存 void evict(Object key); // 清空缓存 void clear(); // 缓存返回值的包装 interface ValueWrapper { // 返回实际缓存的对象 Object get(); } }
2、CacheManager接口
主要提供Cache实现bean的创建,每个应用里可以通过cacheName来对Cache进行隔离,每个cacheName对应一个Cache实现。
package org.Springframework.cache; import java.util.Collection; public interface CacheManager { // 通过cacheName创建Cache的实现bean,具体实现中需要存储已创建的Cache实现bean,避免重复创建,也避免内存缓存 //对象(如Caffeine)重新创建后原来缓存内容丢失的情况 Cache getCache(String name); // 返回所有的cacheName Collection<String> getCacheNames(); }
3、常用注解说明
@Cacheable
:主要应用到查询数据的方法上。
public @interface Cacheable { // cacheNames,CacheManager就是通过这个名称创建对应的Cache实现bean @AliasFor("cacheNames") String[] value() default {}; @AliasFor("value") String[] cacheNames() default {}; // 缓存的key,支持SpEL表达式。默认是使用所有参数及其计算的hashCode包装后的对象(SimpleKey) String key() default ""; // 缓存key生成器,默认实现是SimpleKeyGenerator String keyGenerator() default ""; // 指定使用哪个CacheManager,如果只有一个可以不用指定 String cacheManager() default ""; // 缓存解析器 String cacheResolver() default ""; // 缓存的条件,支持SpEL表达式,当达到满足的条件时才缓存数据。在调用方法前后都会判断 String condition() default ""; // 满足条件时不更新缓存,支持SpEL表达式,只在调用方法后判断 String unless() default ""; // 回源到实际方法获取数据时,是否要保持同步,如果为false,调用的是Cache.get(key)方法;如果为true,调用的是Cache.get(key, Callable)方法 boolean sync() default false; }
@CacheEvict
:清除缓存,主要应用到删除数据的方法上。相比Cacheable多了两个属性
public @interface CacheEvict { // ...相同属性说明请参考@Cacheable中的说明 // 是否要清除所有缓存的数据,为false时调用的是Cache.evict(key)方法;为true时调用的是Cache.clear()方法 boolean allEntries() default false; // 调用方法之前或之后清除缓存 boolean beforeInvocation() default false; }
@CachePut
:放入缓存,主要用到对数据有更新的方法上。属性说明参考@Cacheable
@Caching
:用于在一个方法上配置多种注解
@EnableCaching
:启用Spring cache缓存,作为总的开关,在SpringBoot的启动类或配置类上需要加上此注解才会生效
三、使用二级缓存需要思考的一些问题?
我们知道关系数据库(Mysql)数据最终存储在磁盘上,如果每次都从数据库里去读取,会因为磁盘本身的IO影响读取速度,所以就有了
像redis这种的内存缓存。
通过内存缓存确实能够很大程度的提高查询速度,但如果同一查询并发量非常的大,频繁的查询redis,也会有明显的网络IO上的消耗,
那我们针对这种查询非常频繁的数据(热点key),我们是不是可以考虑存到应用内缓存,如:caffeine。
当应用内缓存有符合条件的数据时,就可以直接使用,而不用通过网络到redis中去获取,这样就形成了两级缓存。
应用内缓存叫做一级缓存,远程缓存(如redis)叫做二级缓存。
整个流程如下
流程看着是很清新,但其实二级缓存需要考虑的点还很多。
1.如何保证分布式节点一级缓存的一致性?
我们说一级缓存是应用内缓存,那么当你的项目部署在多个节点的时候,如何保证当你对某个key进行修改删除操作时,使其它节点
的一级缓存一致呢?
2.是否允许存储空值?
这个确实是需要考虑的点。因为如果某个查询缓存和数据库中都没有,那么就会导致频繁查询数据库,导致数据库Down,这也是我们
常说的缓存穿透。
但如果存储空值呢,因为可能会存储大量的空值,导致缓存变大,所以这个最好是可配置,按照业务来决定是否开启。
3.是否需要缓存预热?
也就是说,我们会觉得某些key一开始就会非常的热,也就是热点数据,那么我们是否可以一开始就先存储到缓存中,避免缓存击穿。
4.一级缓存存储数量上限的考虑?
既然一级缓存是应用内缓存,那你是否考虑一级缓存存储的数据给个限定最大值,避免存储太多的一级缓存导致OOM。
5.一级缓存过期策略的考虑?
我们说redis作为二级缓存,redis
是淘汰策略来管理的。具体可参考redis的8种淘汰策略。那你的一级缓存策略呢?就好比你设置一级缓存
数量最大为5000个,那当第5001个进来的时候,你是怎么处理呢?是直接不保存,还是说自定义LRU或者LFU算法去淘汰之前的数据?
6.一级缓存过期了如何清除?
我们说redis作为二级缓存,我们有它的缓存过期策略(定时、定期、惰性),那你的一级缓存呢,过期如何清除呢?
这里4、5、6小点如果说用我们传统的Map显然实现是很费劲的,但现在有更好用的一级缓存库那就是Caffeine
。
四、Caffeine 简介
Caffeine,一个用于Java的高性能缓存库。
缓存和Map之间的一个根本区别是缓存会清理存储的项目。
1、写入缓存策略
Caffeine有三种缓存写入策略:手动
、同步加载
和异步加载
。
2、缓存值的清理策略
Caffeine有三种缓存值的清理策略:基于大小
、基于时间
和基于引用
。
基于容量
:当缓存大小超过配置的大小限制时会发生回收。
基于时间
:
- 写入后到期策略。
- 访问后过期策略。
- 到期时间由 Expiry 实现独自计算。
基于引用
:启用基于缓存键值的垃圾回收。
- Java种有四种引用:强引用,软引用,弱引用和虚引用,caffeine可以将值封装成弱引用或软引用。
- 软引用:如果一个对象只具有软引用,则内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它;如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。
- 弱引用:在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会
回收它的内存。
3、统计
Caffeine提供了一种记录缓存使用统计信息的方法,可以实时监控缓存当前的状态,以评估缓存的健康程度以及缓存命中率等,方便后
续调整参数。
4、高效的缓存淘汰算法
缓存淘汰算法的作用是在有限的资源内,尽可能识别出哪些数据在短时间会被重复利用,从而提高缓存的命中率。常用的缓存淘汰算法有
LRU、LFU、FIFO等。
FIFO:先进先出。选择最先进入的数据优先淘汰。 LRU:最近最少使用。选择最近最少使用的数据优先淘汰。 LFU:最不经常使用。选择在一段时间内被使用次数最少的数据优先淘汰。
LRU(Least Recently Used)算法认为最近访问过的数据将来被访问的几率也更高。
LRU通常使用链表来实现,如果数据添加或者被访问到则把数据移动到链表的头部,链表的头部为热数据,链表的尾部如冷数据,当
数据满时,淘汰尾部的数据。
LFU(Least Frequently Used)算法根据数据的历史访问频率来淘汰数据,其核心思想是“如果数据过去被访问多次,那么将来被访问
的频率也更高”。根据LFU的思想,如果想要实现这个算法,需要额外的一套存储用来存每个元素的访问次数,会造成内存资源的浪费。
Caffeine采用了一种结合LRU、LFU优点的算法:W-TinyLFU
,其特点:高命中率、低内存占用。
5、其他说明
Caffeine的底层数据存储采用ConcurrentHashMap。因为Caffeine面向JDK8,在jdk8中ConcurrentHashMap增加了红黑树,在hash冲突
严重时也能有良好的读性能。
五、基于Spring Cache实现二级缓存(Caffeine+Redis)
前面说了,使用了redis缓存,也会存在一定程度的网络传输上的消耗,所以会考虑应用内缓存,但有点很重要的要记住:
应用内缓存可以理解成比redis缓存更珍惜的资源,所以,caffeine 不适用于数据量大,并且缓存命中率极低的业务场景,如用户维度的缓存。
当前项目针对应用都部署了多个节点,一级缓存是在应用内的缓存,所以当对数据更新和清除时,需要通知所有节点进行清理缓存的操作。
可以有多种方式来实现这种效果,比如:zookeeper、MQ等,但是既然用了redis缓存,redis本身是有支持订阅/发布功能的,所以就
不依赖其他组件了,直接使用redis的通道来通知其他节点进行清理缓存的操作。
当某个key进行更新删除操作时,通过发布订阅的方式通知其它节点进行删除该key本地的一级缓存就可以了。
具体具体项目代码这里就不再粘贴出来了,这样只粘贴如何引用这个starter包。
1、maven引入使用
<dependency> <groupId>com.jincou</groupId> <artifactId>redis-caffeine-cache-starter</artifactId> <version>1.0.0</version> </dependency>
2、application.yml
添加二级缓存相关配置
# 二级缓存配置 # 注:caffeine 不适用于数据量大,并且缓存命中率极低的业务场景,如用户维度的缓存。请慎重选择。 l2cache: config: # 是否存储空值,默认true,防止缓存穿透 allowNullValues: true # 组合缓存配置 composite: # 是否全部启用一级缓存,默认false l1AllOpen: false # 是否手动启用一级缓存,默认false l1Manual: true # 手动配置走一级缓存的缓存key集合,针对单个key维度 l1ManualKeySet: - userCache:user01 - userCache:user02 - userCache:user03 # 手动配置走一级缓存的缓存名字集合,针对cacheName维度 l1ManualCacheNameSet: - userCache - goodsCache # 一级缓存 caffeine: # 是否自动刷新过期缓存 true 是 false 否 autoRefreshExpireCache: false # 缓存刷新调度线程池的大小 refreshPoolSize: 2 # 缓存刷新的频率(秒) refreshPeriod: 10 # 写入后过期时间(秒) expireAfterWrite: 180 # 访问后过期时间(秒) expireAfterAccess: 180 # 初始化大小 initialCapacity: 1000 # 最大缓存对象个数,超过此数量时之前放入的缓存将失效 maximumSize: 3000 # 二级缓存 redis: # 全局过期时间,单位毫秒,默认不过期 defaultExpiration: 300000 # 每个cacheName的过期时间,单位毫秒,优先级比defaultExpiration高 expires: {userCache: 300000,goodsCache: 50000} # 缓存更新时通知其他节点的topic名称 默认 cache:redis:caffeine:topic topic: cache:redis:caffeine:topic
3、启动类上增加@EnableCaching
/** * 启动类 */ @EnableCaching @SpringBootApplication public class CacheApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(CacheApplication.class, args); } }
4、在需要缓存的方法上增加@Cacheable注解
/** * 测试 */ @Service public class CaffeineCacheService { private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CaffeineCacheService.class); /** * 用于模拟db */ private static Map<String, UserDTO> userMap = new HashMap<>(); { userMap.put("user01", new UserDTO("1", "张三")); userMap.put("user02", new UserDTO("2", "李四")); userMap.put("user03", new UserDTO("3", "王五")); userMap.put("user04", new UserDTO("4", "赵六")); } /** * 获取或加载缓存项 */ @Cacheable(key = "'cache_user_id_' + #userId", value = "userCache") public UserDTO queryUser(String userId) { UserDTO userDTO = userMap.get(userId); try { Thread.sleep(1000);// 模拟加载数据的耗时 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } logger.info("加载数据:{}", userDTO); return userDTO; } /** * 获取或加载缓存项 * <p> * 注:因底层是基于caffeine来实现一级缓存,所以利用的caffeine本身的同步机制来实现 * sync=true 则表示并发场景下同步加载缓存项, * sync=true,是通过get(Object key, Callable<T> valueLoader)来获取或加载缓存项,此时valueLoader(加载缓存项的具体逻辑)会被缓存起来,所以CaffeineCache在定时刷新过期缓存时,缓存项过期则会重新加载。 * sync=false,是通过get(Object key)来获取缓存项,由于没有valueLoader(加载缓存项的具体逻辑),所以CaffeineCache在定时刷新过期缓存时,缓存项过期则会被淘汰。 * <p> */ @Cacheable(value = "userCache", key = "#userId", sync = true) public List<UserDTO> queryUserSyncList(String userId) { UserDTO userDTO = userMap.get(userId); List<UserDTO> list = new ArrayList(); list.add(userDTO); logger.info("加载数据:{}", list); return list; } /** * 更新缓存 */ @CachePut(value = "userCache", key = "#userId") public UserDTO putUser(String userId, UserDTO userDTO) { return userDTO; } /** * 淘汰缓存 */ @CacheEvict(value = "userCache", key = "#userId") public String evictUserSync(String userId) { return userId; } }
项目源码
: https://github.com/yudiandemingzi/springboot-redis-caffeine-cache
推荐相关二级缓存相关项目
1.阿里巴巴jetcache: https://github.com/alibaba/jetcache
2.J2Cache: https://gitee.com/ld/J2Cache
3.l2cache: https://github.com/ck-jesse/l2cache(感谢)
这几个现在业界比较常用的二级缓存项目,功能更加强大,而且性能更高效,使用也非常方便只要引入jar包,添加配置注解就可以。
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