[置顶] 高并发服务设计——缓存

1 缓存回收策略

1.1 基于空间

即设置缓存的存储空间，如设置为10MB，当达到存储空间时，按照一定的策略移除数据。

1.2 基于容量

基于容量指缓存设置了最大大小，当缓存的条目超过最大大小，则按照一定的策略将旧数据移除。

1.3 基于时间

TTL(Time To Live)：存活期，即缓存数据从缓存中创建时间开始直到它到期的一个时间段(不管在这个时间段内有没有访问都将过期)。

TTI(Time To Idle)：空闲期，即缓存数据多久没被访问过将从缓存中移除的时间。

1.4 基于Java对象引用

软引用：如果一个对象是软引用，那么当JVM堆内存不足时，垃圾回收器可以回收这些对象。软引用适合用来做缓存，从而当JVM堆内存不足时，可以回收这些对象腾出一些空间供强引用对象使用，从而避免OOM。

弱引用：当垃圾回收器回收内存时，如果发现弱引用，则将立即回收它。相对于软引用有更短的生命周期。

注意：弱引用/软引用对象只有当没有其他强引用对象引用它时，垃圾回收时才回收该引用。

即如果有一个对象(不是弱引用/软引用)引用了弱引用/软引用对象，那么垃圾回收是不会回收该引用对象。

1.5 回收算法

使用基于空间和基于容量的缓存会使用一定的策略移除旧数据，常见的如下：

FIFO(Fisrt In Fisrt Out)：先进先出算法，即先进入缓存的先被移除。

LRU(Least Recently Used)：最近最少使用算法，使用时间距离现在最久的数据被移除。

LFU(Least Frequently Used)：最不常用算法，一定时间段内使用次数（频率）最少的数据被移除。

实际应用中基于LRU的缓存较多，如Guava Cache、EhCache支持LRU。

2 Java缓存类型

2.1 堆缓存

使用Java堆内存来存储对象。可以使用Guava Cache、Ehcache 3.x、MapDB实现。

优点：使用堆缓存的好处是没有序列化/反序列化，是最快的缓存；

缺点：很明显，当缓存的数据量很大时， GC暂停时间会变长，存储容量受限于堆空间大小；一般通过软引用/弱引用来存储缓存对象，即当堆内存不足时，可以强制回收这部分内存释放堆内存空间。一般使用堆缓存存储较热的数据。

2.2 堆外缓存

即缓存数据存储在堆外内存。可以使用Ehcache 3.x、MapDB实现。

优点：可以减少GC暂停时间(堆对象转移到堆外，GC扫描和移动的对象变少了)，可以支持更大的缓存空间(只受机器内存大小限制，不受堆空间的影响)。

缺点：读取数据时需要序列化/反序列化，会比堆缓存慢很多。

2.3 磁盘缓存

即缓存数据的存储在磁盘上。当JVM重启时数据还是在的。而堆缓存/堆外缓存重启时数据会丢失，需要重新加载。可以使用Ehcache 3.x、MapDB实现。

2.4 分布式缓存

在多JVM实例的情况时，进程内缓存和磁盘缓存会存在两个问题：1.单机容量问题; 2.数据一致性问题（既然数据允许缓存，则表示允许一定时间内的不一致，因此可以设置缓存数据的过期时间来定期更新数据）; 3.缓存不命中时，需要回源到DB/服务查询变多：每个实例在缓存不命中情况下都会回源到DB加载数据，因此，多实例后DB整体的访问量就变多了。解决办法可以使用如一致性哈希分片算法来解决。因此，这些情况可以考虑使用分布式缓存来解决。可以使用ehcache-clustered(配合Terracotta server)实现Java进程间分布式缓存。当然也可以使用如Redis实现分布式缓存。

两种模式如下：

单机时：存储最热的数据到堆缓存，相对热的数据到堆外缓存，不热的数据存到磁盘缓存。

集群时：存储最热的数据到堆缓存，相对热的数据到堆外缓存，全量数据存到分布式缓存。

3 Java缓存实现

3.1 堆缓存

3.1.1 Guava Cache实现

Guava Cache只提供堆缓存，小巧灵活，性能最好，如果只使用堆缓存，那么使用它就够了。

Cache<String, String> myCache=
CacheBuilder.newBuilder()
.concurrencyLevel(4)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(10000)
.build();

然后可以通过put、getIfPresent 来读写缓存。CacheBuilder有几类参数：缓存回收策略、并发设置等。

3.1.1.1 缓存回收策略/基于容量

maximumSize：设置缓存的容量，当超出maximumSize时，按照LRU进行缓存回收。

3.1.1.2 缓存回收策略/基于时间

expireAfterWrite：设置TTL，缓存数据在给定的时间内没有写(创建/覆盖)时，则被回收，即定期的会回收缓存数据。

expireAfterAccess：设置TTI，缓存数据在给定的时间内没有读/写时，则被回收。每次访问时，都会更新它的TTI，从而如果该缓存是非常热的数据，则将一直不过期，可能会导致脏数据存在很长时间(因此，建议设置expireAfterWrite)。

3.1.1.3 缓存回收策略/基于Java对象引用

weakKeys/weakValues：设置弱引用缓存。

softValues：设置软引用缓存。

3.1.1.4 缓存回收策略/主动失效

invalidate(Object key)/invalidateAll(Iterablekeys)/invalidateAll()：主动失效某些缓存数据。

什么时候触发失效呢? Guava Cache不会在缓存数据失效时立即触发回收操作(如果要这么做，则需要有额外的线程来进行清理)，是在PUT时会主动进行一次清理缓存，当然读者也可以根据实际业务通过自己设计线程来调用cleanUp方法进行清理。

3.1.1.5 并发级别

concurrencyLevel：Guava Cache重写了ConcurrentHashMap，concurrencyLevel用来设置Segment数量，concurrencyLevel越大并发能力越强。

3.1.1.6 统计命中率

recordStats：启动记录统计信息，比如命中率等

3.1.2 EhCache 3.x实现

CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder. newCacheManagerBuilder(). build(true);
CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.heap(100, EntryUnit.ENTRIES))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)));

Cache<String, String> myCache = cacheManager.createCache("myCache",cacheConfig);

CacheManager在JVM关闭时请调用CacheManager.close()方法。 可以通过PUT、GET来读写缓存。CacheConfigurationBuilder也有几类参数：缓存回收策略、并发设置、统计命中率等。

3.1.2.1 缓存回收策略/基于容量

heap(100, EntryUnit.ENTRIES)：设置缓存的条目数量，当超出此数量时按照LRU进行缓存回收。

3.1.2.2 缓存回收策略/基于空间

heap(100, MemoryUnit.MB)：设置缓存的内存空间，当超出此空间时按照LRU进行缓存回收。另外，应该设置withSizeOfMaxObjectGraph(2)：统计对象大小时对象图遍历深度和withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB)：可缓存的最大对象大小。

3.1.2.3 缓存回收策略/基于时间

withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))：设置TTL，没有TTI。

withExpiry(Expirations.timeToIdleExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))：同时设置TTL和TTI，且TTL和TTI值一样。

3.1.2.4 缓存回收策略/主动失效

remove(K key)/ removeAll(Set keys)/clear()：主动失效某些缓存数据。

什么时候触发失效呢?EhCache使用了类似于Guava Cache同样的机制。

3.1.2.5 并发级别

目前还没有提供API来设置，EhCache内部使用ConcurrentHashMap作为缓存存储，默认并发级别16。withDispatcherConcurrency是用来设置事件分发时的并发级别。

3.1.3 MapDB 3.x 实现

HTreeMap myCache =
DBMaker.heapDB().concurrencyScale(16).make().hashMap("myCache")
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.create();

然后可以通过PUT、GET来读写缓存。其有几类参数：缓存回收策略、并发设置、统计命中率等。

3.1.3.1 缓存回收策略/基于容量

expireMaxSize：设置缓存的容量，当超出expireMaxSize时，按照LRU进行缓存回收。

3.1.3.2 缓存回收策略/基于时间

expireAfterCreate/expireAfterUpdate：设置TTL，缓存数据在给定的时间内没有写(创建/覆盖)时，则被回收。即定期的会回收缓存数据。

expireAfterGet：设置TTI， 缓存数据在给定的时间内没有读/写时，则被回收。每次访问时都会更新它的TTI，从而如果该缓存是非常热的数据，则将一直不过期，可能会导致脏数据存在很长的时间(因此，建议要设置expireAfterCreate/expireAfterUpdate)。

3.1.3.3 缓存回收策略/主动失效

remove(Object key) /clear()：主动失效某些缓存数据。

什么时候触发失效呢?

MapDB默认使用类似于Guava Cache的机制。不过，也支持可以通过如下配置使用线程池定期进行缓存失效。

expireExecutor(scheduledExecutorService)

expireExecutorPeriod(3000)

3.1.3.4 并发级别

concurrencyScale：类似于Guava Cache配置。

还可以使用DBMaker.memoryDB()创建堆缓存，它将数据序列化并存储到1MB大小的byte[]数组中，从而减少垃圾回收的影响。

3.2 堆外缓存

3.2.1 EhCache 3.x实现

CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.offheap(100, MemoryUnit.MB))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))
.withSizeOfMaxObjectGraph(3)
.withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB);

堆外缓存不支持基于容量的缓存过期策略。

3.2.2 MapDB 3.x实现

HTreeMap myCache =
DBMaker.memoryDirectDB().concurrencyScale(16).make().hashMap("myCache")
.expireStoreSize(64 * 1024 * 1024) //指定堆外缓存大小64MB
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.create();

在使用堆外缓存时，请记得添加JVM启动参数，如-XX:MaxDirectMemorySize=10G。

3.3 磁盘缓存

3.3.1 EhCache 3.x实现

CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder. newCacheManagerBuilder()
//默认线程池
.using(PooledExecutionServiceConfigurationBuilder.newPooledExecutionServiceConfigurationBuilder().defaultPool("default",1, 10).build())
//磁盘文件存储位置
.with(new CacheManagerPersistenceConfiguration(newFile("D:\\bak")))
.build(true);

CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder. newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.disk(100, MemoryUnit.MB,true))       //磁盘缓存
.withDiskStoreThreadPool("default", 5) //使用"default"线程池进行dump文件到磁盘
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(50,TimeUnit.SECONDS)))
.withSizeOfMaxObjectGraph(3)
.withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB);

在JVM停止时，记得调用cacheManager.close()，从而保证内存数据能dump到磁盘。

3.3.2 MapDB 3.x实现

DB db = DBMaker
.fileDB("D:\\bak\\a.data")//数据存哪里
.fileMmapEnable() //启用mmap
.fileMmapEnableIfSupported() //在支持的平台上启用mmap
.fileMmapPreclearDisable() //让mmap文件更快
.cleanerHackEnable() //一些BUG处理
.transactionEnable() //启用事务
.closeOnJvmShutdown()
.concurrencyScale(16)
.make();

HTreeMap myCache = db.hashMap("myCache")
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.createOrOpen();

因为开启了事务，MapDB则开启了WAL。另外，操作完缓存后记得调用db.commit方法提交事务。

myCache.put("key" + counterWriter,"value" + counterWriter);
db.commit();

3.4 分布式缓存

3.4.1 Ehcache 3.1 + Terracotta Server

不建议使用。

3.4.2 Redis

性能非常好，有主从模式、集群模式。

3.5 多级缓存

如先查找堆缓存，如果没有查找磁盘缓存，则使用MapDB可以通过如下配置实现。

HTreeMap diskCache = db.hashMap("myCache")
.expireStoreSize(8 * 1024 * 1024 * 1024)
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.createOrOpen();

HTreeMap heapCache = db.hashMap("myCache")
.expireMaxSize(100)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireOverflow(diskCache) //当缓存溢出时存储到disk
.createOrOpen();

4 缓存使用模式

主要分两大类：Cache-Aside和Cache-As-SoR(Read-through、Write-through、Write-behind)

SoR(system-of-record)：记录系统，或者可以叫做数据源，即实际存储原始数据的系统。

Cache：缓存，是SoR的快照数据，Cache的访问速度比SoR要快，放入Cache的目的是提升访问速度，减少回源到SoR的次数。

回源：即回到数据源头获取数据，Cache没有命中时，需要从SoR读取数据，这叫做回源。

4.1 Cache-Aside

Cache-Aside 即业务代码围绕着Cache写，是由业务代码直接维护缓存，示例代码如下所示。

4.1.1 读场景

先从缓存获取数据，如果没有命中，则回源到SoR并将源数据放入缓存供下次读取使用。

//1、先从缓存中获取数据
value = myCache.getIfPresent(key);
if(value == null) {
//2.1、如果缓存没有命中，则回源到SoR获取源数据
value = loadFromSoR(key);
//2.2、将数据放入缓存，下次即可从缓存中获取数据
myCache.put(key, value);
}

4.1.2 写场景

先将数据写入SoR，写入成功后立即将数据同步写入缓存。

//1、先将数据写入SoR
writeToSoR(key,value);
//2、执行成功后立即同步写入缓存
myCache.put(key, value);

或者先将数据写入SoR，写入成功后将缓存数据过期，下次读取时再加载缓存。

//1、先将数据写入SoR
writeToSoR(key,value);
//2、失效缓存，然后下次读时再加载缓存
myCache.invalidate(key);

Cache-Aside适合使用AOP模式去实现

4.2 Cache-As-SoR

Cache-As-SoR即把Cache看作为SoR，所有操作都是对Cache进行，然后Cache再委托给SoR进行真实的读/写。即业务代码中只看到Cache的操作，看不到关于SoR相关的代码。有三种实现：read-through、write-through、write-behind。

4.2.1 Read-Through

Read-Through，业务代码首先调用Cache，如果Cache不命中由Cache回源到SoR，而不是业务代码(即由Cache读SoR)。使用Read-Through模式，需要配置一个CacheLoader组件用来回源到SoR加载源数据。Guava Cache和Ehcache 3.x都支持该模式。

4.2.1.1 Guava Cache实现

LoadingCache<Integer,Result<Category>> getCache =
CacheBuilder.newBuilder()
.softValues()
.maximumSize(5000).expireAfterWrite(2, TimeUnit.MINUTES)
.build(new CacheLoader<Integer,Result<Category>>() {
@Override
public Result<Category> load(final Integer sortId) throwsException {
return categoryService.get(sortId);
}
});

在build Cache时，传入一个CacheLoader用来加载缓存，操作流程如下：

应用业务代码直接调用getCache.get(sortId)。

首先查询Cache，如果缓存中有，则直接返回缓存数据。

如果缓存没有命中，则委托给CacheLoader，CacheLoader会回源到SoR查询源数据(返回值必须不为null，可以包装为Null对象)，然后写入缓存。

使用CacheLoader后有几个好处：

应用业务代码更简洁了，不需要像Cache-Aside模式那样缓存查询代码和SoR代码交织在一起。如果缓存使用逻辑散落在多处，则使用这种方式很简单的消除了重复代码。

解决Dog-pile effect，即当某个缓存失效时，又有大量相同的请求没命中缓存，从而同时请求到后端，导致后端压力太大，此时限制一个请求去拿即可。

4.2.1.2 Ehcache 3.x实现

CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder. newCacheManagerBuilder(). build(true);
org.ehcache.Cache<String, String> myCache =cacheManager. createCache ("myCache",
CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(String.class,String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder().heap(100,MemoryUnit.MB))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))
.withLoaderWriter(newDefaultCacheLoaderWriter<String, String> () {
@Override
public String load(String key) throws Exception {
return readDB(key);
}
@Override
public Map<String, String> loadAll(Iterable<? extendsString> keys) throws BulkCacheLoadingException, Exception {
return null;
}
}));

Ehcache 3.1没有自己去解决Dog-pile effect。

4.2.2 Write-Through

Write-Through，称之为穿透写模式/直写模式，业务代码首先调用Cache写(新增/修改)数据，然后由Cache负责写缓存和写SoR，而不是业务代码。

使用Write-Through模式需要配置一个CacheWriter组件用来回写SoR。Guava Cache没有提供支持。Ehcache 3.x支持该模式。

Ehcache需要配置一个CacheLoaderWriter，CacheLoaderWriter知道如何去写SoR。当Cache需要写(新增/修改)数据时，首先调用CacheLoaderWriter来同步(立即)到SoR，成功后会更新缓存。

CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder().build(true);
Cache<String, String> myCache =cacheManager.createCache ("myCache",
CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(String.class,String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder().heap(100,MemoryUnit.MB))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))
.withLoaderWriter(newDefaultCacheLoaderWriter<String, String> () {
@Override
public void write(String key, String value) throws Exception{
//write
}
@Override
public void writeAll(Iterable<? extends Map.Entry<? extendsString, ? extends String>> entries) throws BulkCacheWritingException,Exception {
for(Object entry: entries) {
//batch write
}
}
@Override
public void delete(Stringkey) throws Exception {
//delete
}
@Override
public void deleteAll(Iterable<? extends String>keys) throws BulkCacheWritingException, Exception {
for(Object key :keys) {
//batch delete
}
}
}).build());

Ehcache 3.x还是使用CacheLoaderWriter来实现，通过write(String key, String value)、writeAll(Iterable> entries)和delete(String key)、deleteAll(Iterable keys)分别来支持单个写、批量写和单个删除、批量删除操作。

操作流程如下：当我们调用myCache.put(“e”,”123”)或者myCache.putAll(map)时，写缓存。首先，Cache会将写操作立即委托给CacheLoaderWriter#write和#writeAll，然后由CacheLoaderWriter负责立即去写SoR。当写SoR成功后，再写入Cache。

4.2.3 Write-Behind

Write-Behind，也叫Write-Back，称之为回写模式，不同于Write-Through是同步写SoR和Cache，Write-Behind是异步写。异步之后可以实现批量写、合并写、延时和限流。

4.2.3.1 异步写

略，可用EhCache实现

4.2.3.2 批量写

略，可用EhCache实现

4.2.4 Copy Pattern

有两种Copy Pattern， Copy-On-Read和Copy-On-Write。在Guava-Cache和EhCache中堆缓存都是基于引用的，这样如果哟人拿到缓存数据并修改了它，则可能发生不可预测的问题。Guava Cache没有提供支持，EhCache 3.x提供了支持。

public interface Copier<T> {
T copyForRead(T obj);    //Copy-On-Read，比如myCache.get()
T copyForWrite(T obj);   //Copy-On-Write，比如myCache.put()
}

参考来源：

[1] 亿级流量网站架构核心技术.张开涛著