如何設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)悍的本地緩存？

來源：ksfzhaohui |?http://dwz.win/Ws4

最近在看Mybatis的源碼，剛好看到緩存這一塊，Mybatis提供了一級(jí)緩存和二級(jí)緩存；一級(jí)緩存相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，功能比較齊全的是二級(jí)緩存，基本上滿足了一個(gè)緩存該有的功能；當(dāng)然如果拿來和專門的緩存框架如ehcache來對(duì)比可能稍有差距；本文我們將來整理一下實(shí)現(xiàn)一個(gè)本地緩存都應(yīng)該需要考慮哪些東西。

考慮點(diǎn)

考慮點(diǎn)主要在數(shù)據(jù)用何種方式存儲(chǔ)，能存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)，多余的數(shù)據(jù)如何處理等幾個(gè)點(diǎn)，下面我們來詳細(xì)的介紹每個(gè)考慮點(diǎn)，以及該如何去實(shí)現(xiàn)；

1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首要考慮的就是數(shù)據(jù)該如何存儲(chǔ)，用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，最簡(jiǎn)單的就直接用Map來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；或者復(fù)雜的如redis一樣提供了多種數(shù)據(jù)類型哈希，列表，集合，有序集合等，底層使用了雙端鏈表，壓縮列表，集合，跳躍表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

2.對(duì)象上限

因?yàn)槭潜镜鼐彺?，?nèi)存有上限，所以一般都會(huì)指定緩存對(duì)象的數(shù)量比如1024，當(dāng)達(dá)到某個(gè)上限后需要有某種策略去刪除多余的數(shù)據(jù)；

3.清除策略

上面說到當(dāng)達(dá)到對(duì)象上限之后需要有清除策略，常見的比如有LRU(最近最少使用)、FIFO(先進(jìn)先出)、LFU(最近最不常用)、SOFT(軟引用)、WEAK(弱引用)等策略；

4.過期時(shí)間

除了使用清除策略，一般本地緩存也會(huì)有一個(gè)過期時(shí)間設(shè)置，比如redis可以給每個(gè)key設(shè)置一個(gè)過期時(shí)間，這樣當(dāng)達(dá)到過期時(shí)間之后直接刪除，采用清除策略+過期時(shí)間雙重保證；

5.線程安全

像redis是直接使用單線程處理，所以就不存在線程安全問題；而我們現(xiàn)在提供的本地緩存往往是可以多個(gè)線程同時(shí)訪問的，所以線程安全是不容忽視的問題；并且線程安全問題是不應(yīng)該拋給使用者去保證；

6.簡(jiǎn)明的接口

提供一個(gè)傻瓜式的對(duì)外接口是很有必要的，對(duì)使用者來說使用此緩存不是一種負(fù)擔(dān)而是一種享受；提供常用的get，put，remove，clear，getSize方法即可；

7.是否持久化

這個(gè)其實(shí)不是必須的，是否需要將緩存數(shù)據(jù)持久化看需求；本地緩存如ehcache是支持持久化的，而guava是沒有持久化功能的；分布式緩存如redis是有持久化功能的，memcached是沒有持久化功能的；

8.阻塞機(jī)制

在看Mybatis源碼的時(shí)候，二級(jí)緩存提供了一個(gè)blocking標(biāo)識(shí)，表示當(dāng)在緩存中找不到元素時(shí)，它設(shè)置對(duì)緩存鍵的鎖定；這樣其他線程將等待此元素被填充，而不是命中數(shù)據(jù)庫(kù)；其實(shí)我們使用緩存的目的就是因?yàn)楸痪彺娴臄?shù)據(jù)生成比較費(fèi)時(shí)，比如調(diào)用對(duì)外的接口，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算量很大的結(jié)果等等；這時(shí)候如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用get方法獲取的結(jié)果都為null，每個(gè)線程都去執(zhí)行一遍費(fèi)時(shí)的計(jì)算，其實(shí)也是對(duì)資源的浪費(fèi)；最好的辦法是只有一個(gè)線程去執(zhí)行，其他線程等待，計(jì)算一次就夠了；但是此功能基本上都交給使用者來處理，很少有本地緩存有這種功能；

如何實(shí)現(xiàn)

以上大致介紹了實(shí)現(xiàn)一個(gè)本地緩存我們都有哪些需要考慮的地方，當(dāng)然可能還有其他沒有考慮到的點(diǎn)；下面繼續(xù)看看關(guān)于每個(gè)點(diǎn)都應(yīng)該如何去實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹一下思路；

1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本地緩存最常見的是直接使用Map來存儲(chǔ)，比如guava使用ConcurrentHashMap，ehcache也是用了ConcurrentHashMap，Mybatis二級(jí)緩存使用HashMap來存儲(chǔ)：

????Map<Object,?Object>?cache?=?new?ConcurrentHashMap<Object,?Object>()Mybatis使用HashMap本身是非線程安全的，所以可以看到起內(nèi)部使用了一個(gè)SynchronizedCache用來包裝，保證線程的安全性； ?

當(dāng)然除了使用Map來存儲(chǔ)，可能還使用其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)，比如redis使用了雙端鏈表，壓縮列表，整數(shù)集合，跳躍表和字典；當(dāng)然這主要是因?yàn)閞edis對(duì)外提供的接口很豐富除了哈希還有列表，集合，有序集合等功能；

2.對(duì)象上限

本地緩存常見的一個(gè)屬性，一般緩存都會(huì)有一個(gè)默認(rèn)值比如1024，在用戶沒有指定的情況下默認(rèn)指定；當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)達(dá)到指定最大值時(shí)，需要有相關(guān)策略從緩存中清除多余的數(shù)據(jù)這就涉及到下面要介紹的清除策略；

3.清除策略

配合對(duì)象上限之后使用，場(chǎng)景的清除策略如：LRU(最近最少使用)、FIFO(先進(jìn)先出)、LFU(最近最不常用)、SOFT(軟引用)、WEAK(弱引用)；?
LRU ：Least Recently
Used的縮寫最近最少使用，移除最長(zhǎng)時(shí)間不被使用的對(duì)象；常見的使用LinkedHashMap來實(shí)現(xiàn)，也是很多本地緩存默認(rèn)使用的策略；?
FIFO ：先進(jìn)先出，按對(duì)象進(jìn)入緩存的順序來移除它們；常見使用隊(duì)列Queue來實(shí)現(xiàn)；?
LFU ：Least Frequently
Used的縮寫大概也是最近最少使用的意思，和LRU有點(diǎn)像；區(qū)別點(diǎn)在LRU的淘汰規(guī)則是基于訪問時(shí)間，而LFU是基于訪問次數(shù)的；可以通過HashMap并且記錄訪問次數(shù)來實(shí)現(xiàn)；?
SOFT ：軟引用基于垃圾回收器狀態(tài)和軟引用規(guī)則移除對(duì)象；常見使用SoftReference來實(shí)現(xiàn)；?
WEAK ：弱引用更積極地基于垃圾收集器狀態(tài)和弱引用規(guī)則移除對(duì)象；常見使用WeakReference來實(shí)現(xiàn)；

4.過期時(shí)間

設(shè)置過期時(shí)間，讓緩存數(shù)據(jù)在指定時(shí)間過后自動(dòng)刪除；常見的過期數(shù)據(jù)刪除策略有兩種方式：被動(dòng)刪除和主動(dòng)刪除；?
被動(dòng)刪除 ：每次進(jìn)行g(shù)et/put操作的時(shí)候都會(huì)檢查一下當(dāng)前key是否已經(jīng)過期，如果過期則刪除，類似如下代碼：

????if?(System.currentTimeMillis()?-?lastClear?>?clearInterval)?{
??????????clear();
????}
????

主動(dòng)刪除 ：專門有一個(gè)job在后臺(tái)定期去檢查數(shù)據(jù)是否過期，如果過期則刪除，這其實(shí)可以有效的處理冷數(shù)據(jù)；

5.線程安全

盡量用線程安全的類去存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，比如使用ConcurrentHashMap代替HashMap；或者提供相應(yīng)的同步處理類，比如Mybatis提供了SynchronizedCache：

?????public?synchronized?void?putObject(Object?key,?Object?object)?{
????????...省略...
??????}

??????@Override
??????public?synchronized?Object?getObject(Object?key)?{
????????...省略...
??????}
????

6.簡(jiǎn)明的接口

提供常用的get，put，remove，clear，getSize方法即可，比如Mybatis的Cache接口：

????public?interface?Cache?{
??????String?getId();
??????void?putObject(Object?key,?Object?value);
??????Object?getObject(Object?key);
??????Object?removeObject(Object?key);
??????void?clear();
??????int?getSize();
??????ReadWriteLock?getReadWriteLock();
????}
????

再來看看guava提供的Cache接口，相對(duì)來說也是比較簡(jiǎn)潔的：

????public?interface?Cache<K,?V>?{
??????V?getIfPresent(@CompatibleWith("K")?Object?key);
??????V?get(K?key,?Callable?loader)?throws?ExecutionException;
??????ImmutableMap?getAllPresent(Iterable?keys);
??????void?put(K?key,?V?value);
??????void?putAll(Map?m);
??????void?invalidate(@CompatibleWith("K")?Object?key);
??????void?invalidateAll(Iterable?keys);
??????void?invalidateAll();
??????long?size();
??????CacheStats?stats();
??????ConcurrentMap?asMap();
??????void?cleanUp();
????}

7.是否持久化

持久化的好處是重啟之后可以再次加載文件中的數(shù)據(jù)，這樣就起到類似熱加載的功效；比如ehcache提供了是否持久化磁盤緩存的功能，將緩存數(shù)據(jù)存放在一個(gè).data文件中；

????diskPersistent="false"?//是否持久化磁盤緩存

redis更是將持久化功能發(fā)揮到極致，慢慢的有點(diǎn)像數(shù)據(jù)庫(kù)了；提供了AOF和RDB兩種持久化方式；當(dāng)然很多情況下可以配合使用兩種方式；

8.阻塞機(jī)制

除了在Mybatis中看到了BlockingCache來實(shí)現(xiàn)此功能，之前在看< > 的時(shí)候其中有實(shí)現(xiàn)一個(gè)很完美的緩存，大致代碼如下：

????public?class?Memoizerl<A,?V>?implements?Computable<A,?V>?{
????????private?final?Map>?cache?=?new?ConcurrentHashMap>();
????????private?final?Computable?c;

????????public?Memoizerl(Computable?c)?{
????????????this.c?=?c;
????????}

????????@Override
????????public?V?compute(A?arg)?throws?InterruptedException,?ExecutionException?{
????????????while?(true)?{
????????????????Future?f?=?cache.get(arg);
????????????????if?(f?==?null)?{
????????????????????Callable?eval?=?new?Callable()?{
????????????????????????@Override
????????????????????????public?V?call()?throws?Exception?{
????????????????????????????return?c.compute(arg);
????????????????????????}
????????????????????};
????????????????????FutureTask?ft?=?new?FutureTask(eval);
????????????????????f?=?cache.putIfAbsent(arg,?ft);
????????????????????if?(f?==?null)?{
????????????????????????f?=?ft;
????????????????????????ft.run();
????????????????????}
????????????????????try?{
????????????????????????return?f.get();
????????????????????}?catch?(CancellationException?e)?{
????????????????????????cache.remove(arg,?f);
????????????????????}
????????????????}
????????????}
????????}
????}

compute是一個(gè)計(jì)算很費(fèi)時(shí)的方法，所以這里把計(jì)算的結(jié)果緩存起來，但是有個(gè)問題就是如果兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入此方法中怎么保證只計(jì)算一次，這里最核心的地方在于使用了ConcurrentHashMap的putIfAbsent方法，同時(shí)只會(huì)寫入一個(gè)FutureTask；

總結(jié)

本文大致介紹了要設(shè)計(jì)一個(gè)本地緩存都需要考慮哪些點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)象上限，清除策略，過期時(shí)間，線程安全，阻塞機(jī)制，實(shí)用的接口，是否持久化；當(dāng)然肯定有其他考慮點(diǎn)，歡迎補(bǔ)充。