前言

緩存技術被認為是減輕服務器負載、降低網(wǎng)絡擁塞、增強Web可擴展性的有效途徑之一，其基本思想是利用客戶訪問的時間局部性（Temproral Locality）原理， 將客戶訪問過的內(nèi)容在Cache中存放一個副本，當該內(nèi)容下次被訪問時，不必連接到駐留網(wǎng)站，而是由Cache中保留的副本提供。

在企業(yè)Web應用中，通過緩存技術能夠提高請求的響應速度；減少系統(tǒng)IO開銷；降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫壓力...

緩存的意義

首先我們要知道，在我們開發(fā)過程中，為什么要使用緩存，緩存能夠為我們帶來哪些好處！

優(yōu)點

• 通過緩存承載系統(tǒng)壓力，減少對系統(tǒng)或網(wǎng)絡資源訪問而引起的性能消耗，在流量較大時能夠很好地減少系統(tǒng)擁塞。
• 緩存一般都是使用存取非常快的組件實現(xiàn)，通過緩存能夠快速響應客戶端請求，從而降低客戶訪問延遲，提審系統(tǒng)響應速度。
• 在配備負載均衡的應用架構中，通過緩存靜態(tài)資源能夠有效減少服務器負載壓力。
• 當下游應用故障時，通過返回緩存數(shù)據(jù)能夠在一定程度上增強應用容錯性。

缺點

• 緩存數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)不一致問題問題。
• 高并發(fā)場景時存在緩存擊穿、緩存穿透、緩存雪崩等問題。

總的來說，緩存主要是針對高頻訪問但低頻更新的數(shù)據(jù)，從而加快服務器響應與原資源訪問壓力。

Guava Cache是一個相對比較簡單并且容易理解的本地緩存框架，今天主要以此為開端來認識并學習如何使用緩存。

Guava Cache特色

本地緩存我們可以簡單的理解為Map，將數(shù)據(jù)保存到Map（內(nèi)存）中，下次使用該數(shù)據(jù)時，通過key直接從Map中取即可。但是使用Map會有一些幾個問題需要考慮：

• 緩存的容量。不可能無限制的對數(shù)據(jù)進行緩存，當數(shù)據(jù)較大時占用系統(tǒng)資源會導致主業(yè)務受影響。
• 緩存的清理。有些緩存使用頻率很低，如果一直占用資源也是一種浪費。
• 并發(fā)訪問時的效率問題。緩存更新時瞬時對系統(tǒng)、網(wǎng)絡資源的訪問導致故障。
• 緩存使用情況評估

當然以上問題我們通過我們對Map包裝下即可實現(xiàn)，當然Guava Cache也就是基于這種思想，底層原理則是基于Map實現(xiàn)，我們看下其有哪些特色：

• 緩存過期和淘汰機制

通過設置Key的過期時間，包括訪問過期和創(chuàng)建過期；設置緩存容量大小，采用LRU的方式，選擇最近最久的緩存進行刪除。

• 并發(fā)處理能力

Cache主要基于CurrentHashMap實現(xiàn)線程安全；通過對key的計算，基于分段鎖，提高緩存讀寫效率，降低鎖的粒度，提升并發(fā)能力。

• 更新鎖定

在緩存中查詢某個key，如果不存在，則查源數(shù)據(jù)，并回填緩存。在高并發(fā)下會出現(xiàn)，多次查詢元數(shù)據(jù)并重復回填緩存，可能會造成系統(tǒng)故障，最明顯的DB服務器宕機，性能下降等。GuavaCache通過在CacheLoader調用load方法時，對同一個key同一時刻只會有一個請求去讀源數(shù)據(jù)并回填緩存，后面的請求則直接繼續(xù)從緩存讀取，有效阻斷并發(fā)請求對資源服務的影響。

• 集成數(shù)據(jù)源

一般我們在業(yè)務中操作緩存，都會操作緩存和數(shù)據(jù)源兩部分GuavaCache的get可以集成數(shù)據(jù)源，在從緩存中讀取不到時可以從數(shù)據(jù)源中讀取數(shù)據(jù)并回填緩存。

• 監(jiān)控統(tǒng)計

監(jiān)控緩存加載次數(shù)、命中率、失誤率以及數(shù)據(jù)加載時長等。

API介紹

• 緩存構建

ManualCache此時Cache相當于一個Map，對數(shù)據(jù)進行CRUD操作時，需要同步操作緩存Map; 高并發(fā)情況時，可以使用get(k,loader)讀緩存，通過Cache鎖機制，防止對系統(tǒng)資源（DB）的并發(fā)訪問 通過put方法實現(xiàn)緩存的存入與更新；

• LoadingCache

此時構建的是一個實現(xiàn)了Cache接口的LoadingCache，相比ManualCache，提供了緩存回填機制，即當緩存不存在時，會基于CacheLoader查詢數(shù)據(jù)并將結果回填到緩存， 在高并發(fā)時，可以有效地基于緩存鎖減少對系統(tǒng)資源的調用。此時僅需要關注緩存的使用，緩存的更新與存入都是基于CacheLoader實現(xiàn)；

• 緩存獲取

get(k)

根據(jù)key查詢，沒有則觸發(fā)load；如果load為空則拋出異常。

getUnchecked(k)

緩存不存在或返回為null會拋出檢查異常。

get(k,loader)

根據(jù)key查詢，沒有則調用loader方法，且對結果緩存；如果loader返回null則拋出異常，此時不會調用默認的load方法。

getIfPresent(k)

有緩存則返回，否則返回null，不會觸發(fā)load。

• 緩存更新

put(k,v)

如果緩存已經(jīng)存在，則會先進行一次刪除。

• 緩存刪除

invalidate(k)

根據(jù)key使緩存失效。

過期

通過配置的過期參數(shù)，比如expireAfterAccess、expireAfterWrite、refreshAfterWrite。

過載

當緩存數(shù)據(jù)量超過設置的最大值時，根據(jù)LRU算法進行刪除。

引用

構建緩存時將鍵值設置為弱引用、軟引用，基于GC機制來清理緩存。

• 統(tǒng)計

hitRate()

緩存命中率；

hitMiss()

緩存失誤率；

loadCount() 加載次數(shù)；

averageLoadPenalty()

加載新值的平均時間，單位為納秒；

evictionCount() 緩存項被回收的總數(shù)，不包括顯式清除。

Builder配置

簡單示例

• ManualCache模式

下面以用戶服務為例，我們看下如何在增刪改查方法中使用緩存：

private Cache<String, User> cache = CacheBuilder.newBuilder()
            .expireAfterWrite(3, TimeUnit.SECONDS)//寫入多久沒更新自動過期，先刪除，后load
            .removalListener(new RemovalListener<Object, Object>() {
                @Override
                public void onRemoval(RemovalNotification<Object, Object> notification) {
                    LOGGER.info("{} remove {}",LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")),notification.getKey());
                }
            })
            .initialCapacity(20) //初始化容量
            .concurrencyLevel(10) // 并發(fā)
            .maximumSize(100) //最多緩存數(shù)量
            .recordStats() // 開啟統(tǒng)計
            .build();

@Override
    public User getUser(String id){
//        緩存不存在時，通過LocalCache鎖機制，防止對數(shù)據(jù)庫的高頻訪問
       User user;
       try {
           user = cache.get(id,()-> {
               LOGGER.info("緩存不存在,從loader加載數(shù)據(jù)");
               return userDao.get(id);
           });
       } catch (ExecutionException e) {
           throw new RuntimeException(e);
       }
        return user;
    }

    @Override
    public User saveOrUpdateUser(User user){
        userDao.saveOrUpdate(user);
        cache.put(user.getId(),user);
        return user;
    }

    @Override
    public void removeUser(String id){
        userDao.remove(id);
        cache.invalidate(id);
    }

• LoadingCache模式

private LoadingCache<String, User> cache = CacheBuilder.newBuilder()
            // 省略
            .build(new CacheLoader<String, User>() {
                @Override
                public User load(String key) throws Exception {
                    LOGGER.info("{} load {}",LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")),key);
                    return userDao.get(key);
                }

                @Override
                public ListenableFuture<User> reload(String key, User oldUser) throws Exception {
                    LOGGER.info("{} reload {}", LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")),key);
                    ListenableFutureTask<User> listenableFutureTask = ListenableFutureTask.create(() -> userDao.get(key));
                    CompletableFuture.runAsync(listenableFutureTask);
                    return listenableFutureTask;
                }
            });

    @SneakyThrows
    @Override
    public User getUser(String id){
        // 緩存不存在或返回為null會拋出異常
        try {
            return cache.getUnchecked(id);
        } catch (Exception e) {
            return null;
        }
    }

    @Override
    public User saveOrUpdateUser(User user){
        cache.invalidate(user.getId());
        return userDao.saveOrUpdate(user);
    }

    @Override
    public void removeUser(String id){
        cache.invalidate(id);
        userDao.remove(id);
    }

總結：第一種寫法更像是前面說到的Map，在對數(shù)據(jù)進行CRUD操作時，需要用戶手動對緩存進行同步的更新或刪除操作，所以叫ManualCache（手動），當然Guava Cache對Map的加強依然有效，比如過期清除，緩存容量限制。第二種方式寫法差不多，主要是引入了CacheLoader接口，在讀數(shù)據(jù)時緩存數(shù)據(jù)不存在時，通過CacheLoader的load方法先寫緩存后返回數(shù)據(jù)。

注意

• expireAfterWrite、refreshAfterWrite的區(qū)別。

在refreshAfterWrite導致緩存失效時，并不會因為更新緩存而阻塞緩存數(shù)據(jù)的返回，只不過是返回老的數(shù)據(jù)。

• 不能緩存null

有時候為了將值為null的數(shù)據(jù)統(tǒng)一緩存，這樣就不會因為沒有緩存數(shù)據(jù)而訪問數(shù)據(jù)庫造成壓力。

• 讀寫時才進行刪除

Guava Cache的緩存數(shù)據(jù)刪除是在更新或寫入時才會觸發(fā)，沒有單獨的調度服務完成這一工作。

• 本地緩存

類似的本地緩存還有，有興趣的可以自己嘗試，其實實現(xiàn)思想應該也差不多。