Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑

发布于 2022-4-12 22:02
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在高性能的服务架构设计中,缓存是一个不可或缺的环节。在实际的项目中,我们通常会将一些热点数据存储到Redis或MemCache这类缓存中间件中,只有当缓存的访问没有命中时再查询数据库。在提升访问速度的同时,也能降低数据库的压力。

随着不断的发展,这一架构也产生了改进,在一些场景下可能单纯使用Redis类的远程缓存已经不够了,还需要进一步配合本地缓存使用,例如Guava cache或Caffeine,从而再次提升程序的响应速度与服务性能。于是,就产生了使用本地缓存作为一级缓存,再加上远程缓存作为二级缓存的两级缓存架构。

在先不考虑并发等复杂问题的情况下,两级缓存的访问流程可以用下面这张图来表示: Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑-开源基础软件社区

优点与问题

那么,使用两级缓存相比单纯使用远程缓存,具有什么优势呢?

  • 本地缓存基于本地环境的内存,访问速度非常快,对于一些变更频率低、实时性要求低的数据,可以放在本地缓存中,提升访问速度
  • 使用本地缓存能够减少和Redis类的远程缓存间的数据交互,减少网络I/O开销,降低这一过程中在网络通信上的耗时

但是在设计中,还是要考虑一些问题的,例如数据一致性问题。首先,两级缓存与数据库的数据要保持一致,一旦数据发生了修改,在修改数据库的同时,本地缓存、远程缓存应该同步更新。

另外,如果是分布式环境下,一级缓存之间也会存在一致性问题,当一个节点下的本地缓存修改后,需要通知其他节点也刷新本地缓存中的数据,否则会出现读取到过期数据的情况,这一问题可以通过类似于Redis中的发布/订阅功能解决。

此外,缓存的过期时间、过期策略以及多线程访问的问题也都需要考虑进去,不过我们今天暂时先不考虑这些问题,先看一下如何简单高效的在代码中实现两级缓存的管理。

准备工作

在简单梳理了一下要面对的问题后,下面开始两级缓存的代码实战,我们整合号称最强本地缓存的Caffeine作为一级缓存、性能之王的Redis作为二级缓存。首先建一个springboot项目,引入缓存要用到的相关的依赖:

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
    <version>2.9.2</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    <version>2.8.1</version>
</dependency>

在application.yml中配置Redis的连接信息:

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
    database: 0
    timeout: 10000ms
    lettuce:
      pool:
        max-active: 8
        max-wait: -1ms
        max-idle: 8
        min-idle: 0

在下面的例子中,我们将使用RedisTemplate来对redis进行读写操作,RedisTemplate使用前需要配置一下ConnectionFactory和序列化方式,这一过程比较简单就不贴出代码了,有需要本文全部示例代码的可以在文末获取。

下面我们在单机环境下,将按照对业务侵入性的不同程度,分三个版本来实现两级缓存的使用。

V1.0版本

我们可以通过手动操作Caffeine中的Cache对象来缓存数据,它是一个类似Map的数据结构,以key作为索引,value存储数据。在使用Cache前,需要先配置一下相关参数:

@Configuration
public class CaffeineConfig {
    @Bean
    public Cache<String,Object> caffeineCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(128)//初始大小
                .maximumSize(1024)//最大数量
                .expireAfterWrite(60, TimeUnit.SECONDS)//过期时间
                .build();
    }
}

简单解释一下Cache相关的几个参数的意义:

  • initialCapacity:初始缓存空大小
  • maximumSize:缓存的最大数量,设置这个值可以避免出现内存溢出
  • expireAfterWrite:指定缓存的过期时间,是最后一次写操作后的一个时间,这里

此外,缓存的过期策略也可以通过expireAfterAccess或refreshAfterWrite指定。

在创建完成Cache后,我们就可以在业务代码中注入并使用它了。在没有使用任何缓存前,一个只有简单的Service层代码是下面这样的,只有crud操作:

@Service
@AllArgsConstructor
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
    private final OrderMapper orderMapper;

    @Override
    public Order getOrderById(Long id) {  
        Order order = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
              .eq(Order::getId, id));    
        return order;
    }
    
    @Override
    public void updateOrder(Order order) {      
        orderMapper.updateById(order);
    }
    
    @Override
    public void deleteOrder(Long id) {
        orderMapper.deleteById(id);
    }
}

接下来,对上面的OrderService进行改造,在执行正常业务外再加上操作两级缓存的代码,先看改造后的查询操作:

public Order getOrderById(Long id) {
    String key = CacheConstant.ORDER + id;
    Order order = (Order) cache.get(key,
            k -> {
                //先查询 Redis
                Object obj = redisTemplate.opsForValue().get(k);
                if (Objects.nonNull(obj)) {
                    log.info("get data from redis");
                    return obj;
                }

                // Redis没有则查询 DB
                log.info("get data from database");
                Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
                        .eq(Order::getId, id));
                redisTemplate.opsForValue().set(k, myOrder, 120, TimeUnit.SECONDS);
                return myOrder;
            });
    return order;
}

在Cache的get方法中,会先从缓存中进行查找,如果找到缓存的值那么直接返回。如果没有找到则执行后面的方法,并把结果加入到缓存中。

因此上面的逻辑就是先查找Caffeine中的缓存,没有的话查找Redis,Redis再不命中则查询数据库,写入Redis缓存的操作需要手动写入,而Caffeine的写入由get方法自己完成。

在上面的例子中,设置Caffeine的过期时间为60秒,而Redis的过期时间为120秒,下面进行测试,首先看第一次接口调用时,进行了数据库的查询:Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑-开源基础软件社区

而在之后60秒内访问接口时,都没有打印打任何sql或自定义的日志内容,说明接口没有查询Redis或数据库,直接从Caffeine中读取了缓存。

等到距离第一次调用接口进行缓存的60秒后,再次调用接口:Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑-开源基础软件社区

可以看到这时从Redis中读取了数据,因为这时Caffeine中的缓存已经过期了,但是Redis中的缓存没有过期仍然可用。

下面再来看一下修改操作,代码在原先的基础上添加了手动修改Redis和Caffeine缓存的逻辑:

public void updateOrder(Order order) {
    log.info("update order data");
    String key=CacheConstant.ORDER + order.getId();
    orderMapper.updateById(order);
    //修改 Redis
    redisTemplate.opsForValue().set(key,order,120, TimeUnit.SECONDS);
    // 修改本地缓存
    cache.put(key,order);
}

看一下下面图中接口的调用、以及缓存的刷新过程。可以看到在更新数据后,同步刷新了缓存中的内容,再之后的访问接口时不查询数据库,也可以拿到正确的结果:Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑-开源基础软件社区

最后再来看一下删除操作,在删除数据的同时,手动移除Reids和Caffeine中的缓存:

public void deleteOrder(Long id) {
    log.info("delete order");
    orderMapper.deleteById(id);
    String key= CacheConstant.ORDER + id;
    redisTemplate.delete(key);
    cache.invalidate(key);
}

我们在删除某个缓存后,再次调用之前的查询接口时,又会出现重新查询数据库的情况: Redis+Caffeine两级缓存,让访问速度纵享丝滑-开源基础软件社区

简单的演示到此为止,可以看到上面这种使用缓存的方式,虽然看起来没什么大问题,但是对代码的入侵性比较强。在业务处理的过程中要由我们频繁的操作两级缓存,会给开发人员带来很大负担。那么,有什么方法能够简化这一过程呢?我们看看下一个版本。

V2.0版本

在spring项目中,提供了CacheManager接口和一些注解,允许让我们通过注解的方式来操作缓存。先来看一下常用几个注解说明:

  • @Cacheable:根据键从缓存中取值,如果缓存存在,那么获取缓存成功之后,直接返回这个缓存的结果。如果缓存不存在,那么执行方法,并将结果放入缓存中。
  • @CachePut:不管之前的键对应的缓存是否存在,都执行方法,并将结果强制放入缓存
  • @CacheEvict:执行完方法后,会移除掉缓存中的数据。

如果要使用上面这几个注解管理缓存的话,我们就不需要配置V1版本中的那个类型为Cache的Bean了,而是需要配置spring中的CacheManager的相关参数,具体参数的配置和之前一样:

@Configuration
public class CacheManagerConfig {
    @Bean
    public CacheManager cacheManager(){
        CaffeineCacheManager cacheManager=new CaffeineCacheManager();
        cacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(128)
                .maximumSize(1024)
                .expireAfterWrite(60, TimeUnit.SECONDS));
        return cacheManager;
    }
}

然后在启动类上再添加上@EnableCaching注解,就可以在项目中基于注解来使用Caffeine的缓存支持了。下面,再次对Service层代码进行改造。

首先,还是改造查询方法,在方法上添加@Cacheable注解:

@Cacheable(value = "order",key = "#id")
//@Cacheable(cacheNames = "order",key = "#p0")
public Order getOrderById(Long id) {
    String key= CacheConstant.ORDER + id;
    //先查询 Redis
    Object obj = redisTemplate.opsForValue().get(key);
    if (Objects.nonNull(obj)){
        log.info("get data from redis");
        return (Order) obj;
    }
    // Redis没有则查询 DB
    log.info("get data from database");
    Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
            .eq(Order::getId, id));
    redisTemplate.opsForValue().set(key,myOrder,120, TimeUnit.SECONDS);
    return myOrder;
}

@Cacheable注解的属性多达9个,好在我们日常使用时只需要配置两个常用的就可以了。其中value和cacheNames互为别名关系,表示当前方法的结果会被缓存在哪个Cache上,应用中通过cacheName来对Cache进行隔离,每个cacheName对应一个Cache实现。value和cacheNames可以是一个数组,绑定多个Cache。

而另一个重要属性key,用来指定缓存方法的返回结果时对应的key,这个属性支持使用SpringEL表达式。通常情况下,我们可以使用下面几种方式作为key:

#参数名
#参数对象.属性名
#p参数对应下标

在上面的代码中,我们看到添加了@Cacheable注解后,在代码中只需要保留原有的业务处理逻辑和操作Redis部分的代码即可,Caffeine部分的缓存就交给spring处理了。

下面,我们再来改造一下更新方法,同样,使用@CachePut注解后移除掉手动更新Cache的操作:

@CachePut(cacheNames = "order",key = "#order.id")
public Order updateOrder(Order order) {
    log.info("update order data");
    orderMapper.updateById(order);
    //修改 Redis
    redisTemplate.opsForValue().set(CacheConstant.ORDER + order.getId(),
            order, 120, TimeUnit.SECONDS);
    return order;
}

注意,这里和V1版本的代码有一点区别,在之前的更新操作方法中,是没有返回值的void类型,但是这里需要修改返回值的类型,否则会缓存一个空对象到缓存中对应的key上。当下次执行查询操作时,会直接返回空对象给调用方,而不会执行方法中查询数据库或Redis的操作。

最后,删除方法的改造就很简单了,使用@CacheEvict注解,方法中只需要删除Redis中的缓存即可:

@CacheEvict(cacheNames = "order",key = "#id")
public void deleteOrder(Long id) {
    log.info("delete order");
    orderMapper.deleteById(id);
    redisTemplate.delete(CacheConstant.ORDER + id);
}

可以看到,借助spring中的CacheManager和Cache相关的注解,对V1版本的代码经过改进后,可以把全手动操作两级缓存的强入侵代码方式,改进为本地缓存交给spring管理,Redis缓存手动修改的半入侵方式。那么,还能进一步改造,使之成为对业务代码完全无入侵的方式吗?

V3.0版本

模仿spring通过注解管理缓存的方式,我们也可以选择自定义注解,然后在切面中处理缓存,从而将对业务代码的入侵降到最低。

首先定义一个注解,用于添加在需要操作缓存的方法上:

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface DoubleCache {
    String cacheName();
    String key(); //支持springEl表达式
    long l2TimeOut() default 120;
    CacheType type() default CacheType.FULL;
}

我们使用cacheName + key作为缓存的真正key(仅存在一个Cache中,不做CacheName隔离),l2TimeOut为可以设置的二级缓存Redis的过期时间,type是一个枚举类型的变量,表示操作缓存的类型,枚举类型定义如下:

public enum CacheType {
    FULL,   //存取
    PUT,    //只存
    DELETE  //删除
}

因为要使key支持springEl表达式,所以需要写一个方法,使用表达式解析器解析参数:

public static String parse(String elString, TreeMap<String,Object> map){
    elString=String.format("#{%s}",elString);
    //创建表达式解析器
    ExpressionParser parser = new SpelExpressionParser();
    //通过evaluationContext.setVariable可以在上下文中设定变量。
    EvaluationContext context = new StandardEvaluationContext();
    map.entrySet().forEach(entry->
        context.setVariable(entry.getKey(),entry.getValue())
    );

    //解析表达式
    Expression expression = parser.parseExpression(elString, new TemplateParserContext());
    //使用Expression.getValue()获取表达式的值,这里传入了Evaluation上下文
    String value = expression.getValue(context, String.class);
    return value;
}

参数中的elString对应的就是注解中key的值,map是将原方法的参数封装后的结果。简单进行一下测试:

public void test() {
    String elString="#order.money";
    String elString2="#user";
    String elString3="#p0";   

    TreeMap<String,Object> map=new TreeMap<>();
    Order order = new Order();
    order.setId(111L);
    order.setMoney(123D);
    map.put("order",order);
    map.put("user","Hydra");

    String val = parse(elString, map);
    String val2 = parse(elString2, map);
    String val3 = parse(elString3, map);

    System.out.println(val);
    System.out.println(val2);
    System.out.println(val3);
}

执行结果如下,可以看到支持按照参数名称、参数对象的属性名称读取,但是不支持按照参数下标读取,暂时留个小坑以后再处理。

123.0
Hydra
null

至于Cache相关参数的配置,我们沿用V1版本中的配置即可。准备工作做完了,下面我们定义切面,在切面中操作Cache来读写Caffeine的缓存,操作RedisTemplate读写Redis缓存。

@Slf4j @Component @Aspect 
@AllArgsConstructor
public class CacheAspect {
    private final Cache cache;
    private final RedisTemplate redisTemplate;

    @Pointcut("@annotation(com.cn.dc.annotation.DoubleCache)")
    public void cacheAspect() {
    }

    @Around("cacheAspect()")
    public Object doAround(ProceedingJoinPoint point) throws Throwable {
        MethodSignature signature = (MethodSignature) point.getSignature();
        Method method = signature.getMethod();

        //拼接解析springEl表达式的map
        String[] paramNames = signature.getParameterNames();
        Object[] args = point.getArgs();
        TreeMap<String, Object> treeMap = new TreeMap<>();
        for (int i = 0; i < paramNames.length; i++) {
            treeMap.put(paramNames[i],args[i]);
        }

        DoubleCache annotation = method.getAnnotation(DoubleCache.class);
        String elResult = ElParser.parse(annotation.key(), treeMap);
        String realKey = annotation.cacheName() + CacheConstant.COLON + elResult;

        //强制更新
        if (annotation.type()== CacheType.PUT){
            Object object = point.proceed();
            redisTemplate.opsForValue().set(realKey, object,annotation.l2TimeOut(), TimeUnit.SECONDS);
            cache.put(realKey, object);
            return object;
        }
        //删除
        else if (annotation.type()== CacheType.DELETE){
            redisTemplate.delete(realKey);
            cache.invalidate(realKey);
            return point.proceed();
        }

        //读写,查询Caffeine
        Object caffeineCache = cache.getIfPresent(realKey);
        if (Objects.nonNull(caffeineCache)) {
            log.info("get data from caffeine");
            return caffeineCache;
        }

        //查询Redis
        Object redisCache = redisTemplate.opsForValue().get(realKey);
        if (Objects.nonNull(redisCache)) {
            log.info("get data from redis");
            cache.put(realKey, redisCache);
            return redisCache;
        }

        log.info("get data from database");
        Object object = point.proceed();
        if (Objects.nonNull(object)){
            //写入Redis
            redisTemplate.opsForValue().set(realKey, object,annotation.l2TimeOut(), TimeUnit.SECONDS);
            //写入Caffeine
            cache.put(realKey, object);        
        }
        return object;
    }
}

切面中主要做了下面几件工作:

  • 通过方法的参数,解析注解中key的springEl表达式,组装真正缓存的key
  • 根据操作缓存的类型,分别处理存取、只存、删除缓存操作
  • 删除和强制更新缓存的操作,都需要执行原方法,并进行相应的缓存删除或更新操作
  • 存取操作前,先检查缓存中是否有数据,如果有则直接返回,没有则执行原方法,并将结果存入缓存

修改Service层代码,代码中只保留原有业务代码,再添加上我们自定义的注解就可以了:

@DoubleCache(cacheName = "order", key = "#id",
        type = CacheType.FULL)
public Order getOrderById(Long id) {
    Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
            .eq(Order::getId, id));
    return myOrder;
}

@DoubleCache(cacheName = "order",key = "#order.id",
        type = CacheType.PUT)
public Order updateOrder(Order order) {
    orderMapper.updateById(order);
    return order;
}

@DoubleCache(cacheName = "order",key = "#id",
        type = CacheType.DELETE)
public void deleteOrder(Long id) {
    orderMapper.deleteById(id);
}

到这里,基于切面操作缓存的改造就完成了,Service的代码也瞬间清爽了很多,让我们可以继续专注于业务逻辑处理,而不用费心去操作两级缓存了。

总结

本文按照对业务入侵的递减程度,依次介绍了三种管理两级缓存的方法。至于在项目中是否需要使用二级缓存,需要考虑自身业务情况,如果Redis这种远程缓存已经能够满足你的业务需求,那么就没有必要再使用本地缓存了。毕竟实际使用起来远没有那么简单,本文中只是介绍了最基础的使用,实际中的并发问题、事务的回滚问题都需要考虑,还需要思考什么数据适合放在一级缓存、什么数据适合放在二级缓存等等的其他问题。

本文转载自微信公众号「码农参上」

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