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高性能本地缓存组件 Caffeine Cache

高性能本地缓存组件 Caffeine Cache

作者：Tom哥
公众号：微观技术
博客：https://offercome.cn
人生理念：知道的越多，不知道的越多，努力去学

Spring Boot 作为主流微服务框架，拥有成熟的社区生态。市场应用广泛，为了方便大家，整理了一个基于spring boot的常用中间件快速集成入门系列手册，涉及RPC、缓存、消息队列、分库分表、注册中心、分布式配置等常用开源组件，大概有几十篇文章，陆续会开放出来，感兴趣同学可以关注&收藏

Redis 作为分布式缓存组件提供多个服务间的缓存，但是 Redis 有网络开销，增加链路耗时。本地缓存是直接从本地内存中读取数据，没有网络开销，性能更高，例如秒杀系统或者数据量小的缓存等，比远程缓存更合适。

Caffeine 介绍

Caffeine 是基于 JAVA 8 的高性能缓存库。参考 Google Guava 的API对缓存框架重写，基于LRU算法实现，支持多种缓存过期策略。

Spring Boot 1.x版本中的默认本地缓存是Guava Cache。在 Spring5 (spring boot 2.x) 后，Spring 官方放弃了 Guava Cache 作为缓存机制，而是使用性能更优秀的 Caffeine 作为默认缓存组件，这对于Caffeine来说是一个很大的肯定。

为什么Spring会这样做呢？其实在Caffeine的Benchmarks里给出了非常靓的数据，针对读和写场景，与其他几个缓存框架进行了比较，Caffeine的性能表现非常突出。

项目集成

在 pom.xml 中添加 caffeine jar 包依赖：

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
    <version>2.8.6</version>
</dependency>

初始化本地缓存类的Bean实例，并设置一系列配置参数，满足个性化业务场景需求。

public static LoadingCache<Long, User> loadingCache = Caffeine.newBuilder()
    // 初始的缓存空间大小
    .initialCapacity(5)
    // 缓存的最大条数
    .maximumSize(10)
    .expireAfterWrite(4, TimeUnit.SECONDS)
    .expireAfterAccess(10, TimeUnit.SECONDS)
    .refreshAfterWrite(6, TimeUnit.SECONDS)
    .recordStats()
    //设置缓存的移除通知
    .removalListener(new RemovalListener<Long, User>() {
        @Override
        public void onRemoval(@Nullable Long key, @Nullable User user, @NonNull RemovalCause removalCause) {
            System.out.printf("Key： %s ，值：%s was removed!原因 (%s) \n", key, user, removalCause);
        }
    })
    .build(id -> {
        System.out.println("缓存未命中，从数据库加载，用户id：" + id);
        return User.builder().id(id).userName("Lily").age(new Random().nextInt(20)).build();
    });

参数说明：

  • initialCapacity 初始的缓存空间大小
  • maximumSize 缓存的最大条数
  • maximumWeight 缓存的最大权重
  • expireAfterAccess 最后一次写入或访问后，经过固定时间过期
  • expireAfterWrite 最后一次写入后，经过固定时间过期
  • refreshAfterWrite 写入后，经过固定时间过期，下次访问返回旧值并触发刷新
  • weakKeys 打开 key 的弱引用
  • weakValues 打开 value 的弱引用
  • softValues 打开 value 的软引用
  • recordStats 缓存使用统计

expireAfterWrite 和 expireAfterAccess 同时存在时，以 expireAfterWrite 为准。
weakValues 和 softValues 不可以同时使用。
maximumSize 和 maximumWeight 不可以同时使用。

构造LoadingCache对象，里面提供了很多方法来操作缓存，比如 getIfPresent 、put、invalidate等，详细可以参考下图：

关于Caffine Cache 的各种参数设置，以及常用的API在各种场景下如何使用演示测试

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(classes = StartApplication.class)
@FixMethodOrder(MethodSorters.NAME_ASCENDING)
public class CacheServiceTest {

    /**
     * .refreshAfterWrite(6,TimeUnit.SECONDS)
     * .build(id -> {
     *      Thread.sleep(2_000);
     *      System.out.println("缓存未命中，从数据库加载，用户id：" + id);
     *      return User.builder().id(id).userName("Lily").age(new Random().nextInt(20)).build();
     * });
     */
    @Test
    public void test1_refreshAfterWrite() throws ExecutionException, InterruptedException {
        User user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(1L);
        System.out.println("第1次查user1：" + user1);
        Thread.sleep(10_000);
        // 缓存不存在，返回旧值，并触发缓存刷新
        user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(1L);
        System.out.println("第2次查user1：" + user1);
        Thread.sleep(5_000);
        user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(1L);
        System.out.println("第3次查user1：" + user1);
    }

    /**
     * .expireAfterWrite(4, TimeUnit.SECONDS)
     * .expireAfterAccess(10,TimeUnit.SECONDS)
     */
    @Test
    public void test2() throws ExecutionException, InterruptedException {
        User user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(1L);
        System.out.println("第1次查user1：" + user1);

        Thread.sleep(6_000);

        user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(1L);
        System.out.println("第2次查user1：" + user1);
    }

    /**
     * 容量上限是10，超过容量会LRU置换
     * maximumSize(10)
     */
    @Test
    public void test3() throws ExecutionException, InterruptedException {
        for (int i = 1; i < 16; i++) {
            User user1 = LocalCacheService.loadingCache.get(Long.valueOf(i));
            System.out.println(String.format("第%s次查user：%s", i, user1));
        }
        Thread.sleep(30_000);
    }

}

缓存填充策略

缓存的填充方式有三种，手动、同步和异步

手动加载

手动将值放入缓存后再检索

cache.put(key, dataObject);
dataObject = cache.getIfPresent(key);

我们可以通过 cache.getIfPresent(key) 方法来获取一个key的值，通过cache.put(key, value)方法显示的将数值放入缓存，但是这样会覆盖缓原来key的数据。

建议使用cache.get(key，k - > value) 的方式，get 方法将一个参数为 key 的 Function (createExpensiveGraph) 作为参数传入。如果缓存中不存在该键，则调用这个 Function 函数，并将返回值作为该缓存的值插入缓存中。get 方法是以阻塞方式执行，即使多个线程同时请求该值也只会调用一次Function方法。这样可以避免与其他线程的写入竞争，这也是为什么使用 get 优于 getIfPresent 的原因。

同步加载

这种加载缓存方式使用了与用于初始化值的 Function 的手动策略类似的 get 方法。让我们看看如何使用它。

Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(10)
.build(id -> {
    System.out.println("缓存未命中，从数据库加载，用户id：" + id);
    return User.builder().id(id).userName("Lily").age(new Random().nextInt(20)).build();
});

异步加载

此策略与同步加载相似，但是以异步方式执行操作，并返回一个包含值的 CompletableFuture

AsyncLoadingCache<String, Object> asyncLoadingCache=Caffeine.newBuilder()
		.maximumSize(10)
		.buildAsync(id -> {
		    System.out.println("缓存未命中，从数据库加载，用户id：" + id);
		    return User.builder().id(id).userName("Lily").age(new Random().nextInt(20)).build();
		});

驱逐策略（eviction）

Caffeine提供三类驱逐策略：基于大小（size-based），基于时间（time-based）和基于引用（reference-based）。

基于大小（size-based）

基于大小驱逐，有两种方式：一种是基于缓存大小，一种是基于权重。

使用Caffeine.maximumSize(long)方法来指定缓存的最大容量。当缓存超出这个容量的时候，会使用Window TinyLfu策略来删除缓存。

也可以使用权重的策略来进行驱逐，可以使用Caffeine.weigher(Weigher) 函数来指定权重，使用Caffeine.maximumWeight(long) 函数来指定缓存最大权重值。

maximumWeight 与 maximumSize 不可以同时使用。

基于时间（Time-based）

Caffeine提供了三种定时驱逐策略：

  • expireAfterAccess(long, TimeUnit)：在最后一次访问或者写入后开始计时，在指定的时间后过期。假如一直有请求访问该key，那么这个缓存将一直不会过期。
  • expireAfterWrite(long, TimeUnit)： 在最后一次写入缓存后开始计时，在指定的时间后过期。
  • expireAfter(Expiry)： 自定义策略，过期时间由Expiry实现独自计算。

基于引用（reference-based）

我们可以将缓存的驱逐配置成基于垃圾回收器。为此，我们可以将key 和 value 配置为弱引用或只将值配置成软引用。

注意：AsyncLoadingCache不支持弱引用和软引用。

Caffeine.weakKeys() 使用弱引用存储key。如果没有其他地方对该key有强引用，那么该缓存就会被垃圾回收器回收。由于垃圾回收器只依赖于身份(identity)相等，因此这会导致整个缓存使用身份 (==) 相等来比较 key，而不是使用 equals()。

Caffeine.weakValues() 使用弱引用存储value。如果没有其他地方对该value有强引用，那么该缓存就会被垃圾回收器回收。由于垃圾回收器只依赖于身份(identity)相等，因此这会导致整个缓存使用身份 (==) 相等来比较 key，而不是使用 equals()。

Caffeine.softValues() 使用软引用存储value。当内存满后，软引用的对象使用最近最少使用(least-recently-used ) 的方式进行垃圾回收。由于使用软引用是需要等到内存满了才进行回收，所以我们通常建议给缓存配置一个使用内存的最大值。 softValues() 将使用身份相等(identity) (==) 而不是equals() 来比较值。

注意：Caffeine.weakValues()和Caffeine.softValues()不可以一起使用。

手动删除缓存

任何时候，你都可以主动使缓存失效，而不用等待缓存被驱逐

// 单个key
cache.invalidate(key)
// 批量key
cache.invalidateAll(keys)
// 所有key
cache.invalidateAll()

统计

Cache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(10_000)
    .recordStats()
    .build();

通过使用Caffeine.recordStats(), 可以转化成一个统计的集合。 通过 Cache.stats() 返回一个CacheStats。CacheStats提供以下统计方法：

  • hitRate()： 返回缓存命中率
  • evictionCount()： 缓存回收数量
  • averageLoadPenalty()： 加载新值的平均时间

项目源码

https://github.com/aalansehaiyang/spring-boot-bulking  

模块：spring-boot-bulking-caffeine

参考资料