SpringBoot 2.x 基于简单的内存缓存组件的实验以及简单阐述原理

2020-06-02   761 次阅读

简介

对于一些临时性或者存储周期较短的数据，若是还是用数据库还存储的话，那就给数据增加不必要的访问负载，而且这些数据存储在硬盘中，若是经常新增删，产生的磁盘碎片会越多。

所以，有没有一种可以存储临时数据的技术呢？

其中，有一种技术就是缓冲，将一些短期的数据临时的存储内存中，需要的时候就可以读取，不需要的时候，可以删除，而且读写速度非常快；

例如变量这样的就是存储在内存，有一种方案是变量缓冲，这样依赖线程的生命周期，线程销毁，当前线程的内存区块自然就销毁。

只要在这周期内，变量一直都保存在内存中。

具体怎么做到变量缓冲呢？

很简单，例如说从磁盘中读入一个文件，但是文件中的数据无法直接使用，需要经过一些处理才能使用，所以经过处理之后的数据赋值给一个变量。而且，需要使用这份数据的地方不止一处，这时候就不能将变量销毁了，而是需要将其缓冲到内存中，这样后面不管任何地方使用，都能第一时间获取到处理过后的数据。

public class HandleData {
    private List<?> list;

    public List<?> handle() {

        List<?> temp = new ArrayList<>();

        // ... 经过处理之后，将数据赋值到属性上面
        list = temp;

        return temp;
    }

    public List<?> getList() {
        if (list == null) {
            list = handle();
        }
        return list;
    }
}

简单的一段代码就实现了变量重复利用。

JSR 107

Java Caching 定义了 5 个核心接口，分别是 CachingProvider、CacheManager、Cache、Entry、Expiry；

  • CachingProvider：定义了创建、配置、获取、管理和控制多个 CacheManager；一个应用可以在运行期间访问多个 CachingProvider；
  • CacheManager：定义了创建、配置、获取、管理和控制多个唯一命名的 Cache，这些 Cache 存在于 CacheManager 的上下文中。一个 CacheManager 仅被一个 Caching 所拥有。
  • Cache：是一个类似 Map 的数据结构并临时存储以 Key 为索引的值；一个 Cache 仅被一个 CacheManager 所拥有；
  • Entry：一个存储在 Cache 中的 key-value 对；
  • Expiry：每一个存储在 Cache 中的条目有一个定义的有效期；一旦超过这个有效期，条目为过期的状态；一旦过期，条目将不可访问、更新、删除；缓冲有效期可以通过 ExpiryPolicy 设置。

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实战使用

创建项目环境：

  • Web
  • MySQL
  • Mybatis
  • Cache

为了快捷演示，这次采用注解版 Mybatis 整合；

必须要的步骤，配置数据源、Mybatis 所需配置，JavaBean、Mapper 接口；

对于缓存组件来将，每一个组件都有一个唯一的名称，若是注解方式的，可以通过 @Cacheable 的 cacheNames 定义；

@Cacheable 属性

名称描述
cacheNames指定缓存组件的名称
cacheValue指定缓存组件的名称，作用同上
key缓存数据使用的 key，默认是使用方法参数的，可以编写 SpEl 语法从请求参数中获取指定值，或者从返回结果获取；
keyGeneratorkey 的生成器，可以指定 key 的生成器的 bean id，与 key 属性二选一
cacheManager指定缓存管理器
cacheResolver指定缓存解析器，同上作用
condition只当符合条件的情况才缓存
unless否定缓存，当 unless 指定添加满足时 true 时，方法的返回值就不会被缓存，可以获取结果进行判断；
unless = "#result == null"
sync是否使用异步模式

步骤：

  • 开启注解：@EnableCaching，这个注解标注在主程序类上面
  • 标注缓存注解

示例：

@EnableCaching
@SpringBootApplication
public class CacheApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(CacheApplication.class, args);
    }

}

// ======================================================

@Cacheable(cacheNames = "department", key = "#id")
public Department getDeparment(Integer id) {
    return departmentMapper.getDepartment(id);
}

想要测试有没有缓存，可以将日志输出出来

logging.level.com.huasio.mapper=true

正常情况，访问一次会往数据查询的 SQL，而加了注解之后，则第一次需要访问数据库读取数据，后面都不会在数据库查询，而是从缓存数据读取；

@CachePut

对缓存目标进行更新，简单来说就是，调用方法的同时更新缓存，这个更新与 @Cacheable 不同，该注解是先调用方法，然后写入缓存，更新的同时也是创建；

@Cacheable 是创建缓存，在调用缓存目标之前；

测试一下：

@CachePut(cacheNames = "department", key = "#result.id")
public Department updateDepartment(Department department) {
    departmentMapper.updateDepartment(department);
    return department;
}

一旦该方法被调用，则同步更新缓存数据。

但是，需要注意一点：缓存 key 的名称一定要相同，否则等同于新创建一个缓存；

而且，该方法的好处就是，再次获取的数据就是最新的，不需要从数据库中获取；

@CacheEvict

该注解可以指定的缓存数据清除，用法很简单，和上面的两种注解雷同：

@CacheEvict(cacheNames = "department", key = "#id")

唯一需要注意的就是 key 一定要与删除的目标一致；

@CacheConfig、@Caching

@CacheConfig：可以标注在类上面，代表着一个类的公共信息，可以对一个类一些基本信息统一指定；

@Caching：这个注解时前面三个：@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict 的整合版，同时可以生效；

编码方式

除了使用注解之外，还有可以直接注入缓存管理器到类中，使用管理来手动缓存；

public class TestManual {
	@Autowired
	RedisCacheManager redisCache;
	
	public void test() {
		Cache cache = redisCacheManager.getCache("department");
        cache.put("test", "这是手动缓存数据！");
	}
}

这样方式就弥补了注解的缺点，无法缓存方法内某个变量的数据；

工作原理

按照常态，Cache 相关的功能必定有一个自动配置类来专门给容器中注册组件，加载各种配置信息；

CacheAutoConfiguration 这个自动配置类里面有一个方法，负责导入缓存管理器的配置类；

@Override
public String[] selectImports(AnnotationMetadata importingClassMetadata) {
   CacheType[] types = CacheType.values();
   String[] imports = new String[types.length];
   for (int i = 0; i < types.length; i++) {
      imports[i] = CacheConfigurations.getConfigurationClass(types[i]);
   }
   return imports;
}

默认导入哪些缓存管理器的配置类呢？这个有根据的。

在 CacheType 枚举类里面定义了 10 类型，其实准确来说是 9 类，另外一类是不缓存；

实际上，CacheConfigurations 这个类里面将缓存类型与缓存管理器绑定到一起，这个 map 是不可更改的；所以，selectImport 会过滤掉不满足条件的类型，剩下的就是满足的；

至于重复存在的话，这个有优先级之分；

以下面的图片为例，优先级由高到低；

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当然，这里的导入并不是全部都注册到容器中，而是在这个里面，需要用到这个列表来做判断，推断出当前生效的缓存管理器的配置类是哪一个。

效率低一些，可以一个个的点开，查看配置类生效需要哪些条件。

通过在配置文件中添加：

debug=true

可以将注册和非注册的组件打印在 console 中，这是 SpringBoot 启动的时候必做的工作；

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发现 SpringBoot 默认加载的缓存配置类是：SimpleCacheConfiguration，一种简单的内存缓存；

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@ConditionalOnMissingBean(CacheManager.class)
@Conditional(CacheCondition.class)
class SimpleCacheConfiguration {

	@Bean
	ConcurrentMapCacheManager cacheManager(CacheProperties cacheProperties,
			CacheManagerCustomizers cacheManagerCustomizers) {
		ConcurrentMapCacheManager cacheManager = new ConcurrentMapCacheManager();
		List<String> cacheNames = cacheProperties.getCacheNames();
		if (!cacheNames.isEmpty()) {
			cacheManager.setCacheNames(cacheNames);
		}
		return cacheManagerCustomizers.customize(cacheManager);
	}

}

所以，SpringBoot 默认的缓存管理器就是 ConcurrentMapCacheManager 这个，而这个管理器使用的容器是 map，一个 ConcurrentMap 安全线程的接口实现类作为容器；

private final ConcurrentMap<String, Cache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

缓存的生效的步骤

  • 首次访问缓存目标，根据缓存名称从缓存管理器获取缓存组件，看看是否已经加载过了，若是没有的话则根据缓存名称，创建缓存组件，默认组件：ConcurrentMapCache

  • 创建缓存目标的缓存组件之后，接下来会尝试从所有缓存组件中（可以指定多个缓存组件）查找缓存 key 的值，若是没有设置 key 属性，则默认根据请求参数作为缓存组件名称作为 key，默认 key 是使用 SimpleKey 生成出来的；生成策略看下方；

  • 若是没有找到缓存，则会使用动态代理的方式，执行目标方法，以获取返回值将其 put 到缓存组件里；从这一方面来讲，使用了缓存的目标不在是普通的反射调用，而是交给了缓存方面来执行，之后就是将结果返回；

    Snipaste_2020-06-01_22-18-02

上面说到 key 是生成出来的，那么是如何生成的呢？按照什么策略？

有两种判断：

  • 设置 key 属性，根据方法和注解上面的 key 属性表达式创建一个 SpEl 表达式对象，然后解析出表达式的值做 key
  • 非设置 key 属性，默认的生成方案：
    • 若是没有请求参数，则 SimpleKey 空对象作为 key
    • 若是有一个请求参数，则保证不是数组的情况下，作为 key
    • 若是以上条件都不满足，则将参数作为 SimpleKey 对象的参数，实

定义 KeyGenerator 生成器

@Cacheable 里面有个 KeyGenerator 属性，可以指定自定义生成器的 Bean id；

接下来尝试自定义一个生成器，来生成 key；

实现 KeyGenerator 接口即可，只有一个方法，该方法返回的就是 key；

需要注意， KeyGenerator 这个接口不要导错；是这个包：org.springframework.cache.interceptor.KeyGenerator

@SpringBootConfiguration
public class CustomGenerator {

    @Bean("CustomGenerator")
    public KeyGenerator keyGenerator() {
        return (target, method, params) -> {
            System.out.println(target.toString());
            System.out.println(method.getName());
            System.out.println(Arrays.toString(params));
            return method.getName() + "[" + Arrays.toString(params) + "]";
        };
    }
}

使用的话，就在 keyGenerator 属性直接填入 bean id 即可；

问题

  • 缓存如何生效的呢？为何加了注解之后，就能使用缓存。
  • 使用缓存之后，如何保证目标方法只调用一次，不会调用两次，那么是怎么做到的？由缓存组件调用还是 SpringBoot 的反射执行？
  • 如何使用缓存？
  • 如何自定义缓存管理器？
  • 为何缓存能一直保留着，是怎么做到的？它是如何保证缓存的数据不会随着一次请求线程的销毁而清空缓存，它处于程序的什么位置？
  • 缓存的数据会被 Java 虚拟机的 GC 垃圾回收吗？

扩展

SpringBoot 支持 10 种缓存类型

名称描述
GENERIC使用上下文中的“缓存”bean进行通用缓存。
JCACHEJSR-107 规范
EHCACHEEhCache
HAZELCASTHazelcast
INFINISPANInfinispan
COUCHBASECouchbase
REDISRedis
CAFFEINECaffeine
SIMPLE简单的内存缓存
NONE没有缓存

支持的 SpEl 语法

名称位置描述示例
methodNameroot Object当前被调用的方法名#root.methodName
methodroot Object当前被调用的方法#root.method.name
targetroot Object当前被调用的目标对象#root.target
targetClassroot Object当前被调用的目标对象类#root.targetClass
argsroot Object当前被调用的方法的参数列表#root.args[0]
cachedroot Object当前方法使用的缓存列表，如 @Cacheable(value={"cache1","cache2"})，则有两个 cache#root.caches[0].name
argument nameevaluation context方法参数的名称，可以直接 #参数名，也可以使用 #p0 或者 #a0 的形式，0 代表索引#id、#a0、#p0
resultevaluation context方法执行后的返回值，仅当方法执行之后的判断有效，如 unless，cache put ，cache evict，beforeInvocation=false#result

几个重要概念和注解

名称描述
Cache缓冲接口，定义缓冲操作；实现有：RedisCache、EhCacheCache、ConcurrentMapCache 等缓存；
keyGenerator缓存数据时 key 生成策略
serialize缓存数据时 value 序列化策略
@Cacheable主要针对方法配置，能够根据方法的请求的参数对其结果进行缓存
@CachePut保证方法被调，又希望结果被缓存
@EnableCaching开启居于注解的缓存
@CacheEvict清空缓存
@Primark多个缓存管理器，需要使用这个注解将某一个管理器作为默认；

Q.E.D.

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没啥可以写的，有什么思路就写什么。