程序设计中缓存的使用

缓存是优化系统性能最常用的方式之一，通过在耗时部件（如数据库）之前添加缓存，可以减少实际调用次数，降低响应时间。但是在引入缓存之前，务必三思而后行。

通过Internet获取资源既缓慢，成本又高。为此，Http协议里包含了控制缓存的部分，以使Http客户端可以缓存和重用以前获取的资源，从而优化性能，提升体验。虽然Http中关于缓存控制的部分，随着协议演进，有一些变化。但我觉着，作为后端程序员，在开发Web服务时，只需要关注请求头If-None-Match、响应头ETag、响应头Cache-Control就足够了。因为这三个Http头就可以满足你的需求，并且，当今绝大多数的浏览器，都支持这三个Http头。我们所要做的就是，确保每个服务器响应都提供正确的 HTTP 头指令，以指导浏览器何时可以缓存响应以及可以缓存多久。

缓存在哪儿？

上图中有三个角色，浏览器、Web代理和服务器，如图所示HTTP缓存存在于浏览器和Web代理中。当然在服务器内部，也存在着各种缓存，但这已经不是本文要讨论的Http缓存了。所谓的Http缓存控制，就是一种约定，通过设置不同的响应头Cache-Control来控制浏览器和Web代理对缓存的使用策略，通过设置请求头If-None-Match和响应头ETag，来对缓存的有效性进行验证。

响应头ETag

ETag全称Entity Tag，用来标识一个资源。在具体的实现中，ETag可以是资源的hash值，也可以是一个内部维护的版本号。但不管怎样，ETag应该能反映出资源内容的变化，这是Http缓存可以正常工作的基础。

如上例中所展示的，服务器在返回响应时，通常会在Http头中包含一些关于响应的元数据信息，其中，ETag就是其中一个，本例中返回了值为x1323ddx的ETag。当资源/file的内容发生变化时，服务器应当返回不同的ETag。

请求头If-None-Match

对于同一个资源，比如上一例中的/file，在进行了一次请求之后，浏览器就已经有了/file的一个版本的内容，和这个版本的ETag，当下次用户再需要这个资源，浏览器再次向服务器请求的时候，可以利用请求头If-None-Match来告诉服务器自己已经有个ETag为x1323ddx的/file，这样，如果服务器上的/file没有变化，也就是说服务器上的/file的ETag也是x1323ddx的话，服务器就不会再返回/file的内容，而是返回一个304的响应，告诉浏览器该资源没有变化，缓存有效。

如上例中所示，在使用了If-None-Match之后，服务器只需要很小的响应就可以达到相同的结果，从而优化了性能。

响应头Cache-Control

每个资源都可以通过Http头Cache-Control来定义自己的缓存策略，Cache-Control控制谁在什么条件下可以缓存响应以及可以缓存多久。 最快的请求是不必与服务器进行通信的请求：通过响应的本地副本，我们可以避免所有的网络延迟以及数据传输的数据成本。为此，HTTP 规范允许服务器返回一系列不同的 Cache-Control 指令，控制浏览器或者其他中继缓存如何缓存某个响应以及缓存多长时间。

Cache-Control 头在 HTTP/1.1 规范中定义，取代了之前用来定义响应缓存策略的头（例如 Expires）。当前的所有浏览器都支持 Cache-Control，因此，使用它就够了。

以下我来介绍可以再Cache-Control中设置的常用指令。

max-age

该指令指定从当前请求开始，允许获取的响应被重用的最长时间（单位为秒。例如：Cache-Control:max-age=60表示响应可以再缓存和重用 60 秒。需要注意的是，在max-age指定的时间之内，浏览器不会向服务器发送任何请求，包括验证缓存是否有效的请求，也就是说，如果在这段时间之内，服务器上的资源发生了变化，那么浏览器将不能得到通知，而使用老版本的资源。所以在设置缓存时间的长度时，需要慎重。

public和private

如果设置了public，表示该响应可以再浏览器或者任何中继的Web代理中缓存，public是默认值，即Cache-Control:max-age=60等同于Cache-Control:public, max-age=60。

在服务器设置了private比如Cache-Control:private, max-age=60的情况下，表示只有用户的浏览器可以缓存private响应，不允许任何中继Web代理对其进行缓存 – 例如，用户浏览器可以缓存包含用户私人信息的 HTML 网页，但是 CDN 不能缓存。

no-cache

如果服务器在响应中设置了no-cache即Cache-Control:no-cache，那么浏览器在使用缓存的资源之前，必须先与服务器确认返回的响应是否被更改，如果资源未被更改，可以避免下载。这个验证之前的响应是否被修改，就是通过上面介绍的请求头If-None-match和响应头ETag来实现的。

需要注意的是，no-cache这个名字有一点误导。设置了no-cache之后，并不是说浏览器就不再缓存数据，只是浏览器在使用缓存数据时，需要先确认一下数据是否还跟服务器保持一致。如果设置了no-cache，而ETag的实现没有反应出资源的变化，那就会导致浏览器的缓存数据一直得不到更新的情况。

no-store

如果服务器在响应中设置了no-store即Cache-Control:no-store，那么浏览器和任何中继的Web代理，都不会存储这次相应的数据。当下次请求该资源时，浏览器只能重新请求服务器，重新从服务器读取资源。

怎样决定一个资源的Cache-Control策略呢？

下面这个流程图，可以帮到你。

常见错误

启动时缓存

有时候，我们会发现应用程序启动很慢，最终发现是其中一个依赖的服务响应时间很长，这时该怎么办？

通常来说，遇到这类问题，说明这个依赖服务无法满足需求。如果这是一个第三方服务，控制权不在自己手上，这时我们可能会引入缓存。

此时引入缓存的问题，是缓存失效策略难以生效，因为缓存设计的本意就是尽可能少的请求依赖的服务。

过早缓存

这里提到“早”，不是应用程序的生命周期，而是开发的周期。有的时候我们会看见，一些开发者在开发初期就已经估算出系统瓶颈，并引入缓存。

事实上，这样的做法掩盖了可能进行性能优化的点。反正到时候这个服务的返回值会被缓存住，我干嘛还要花时间去优化这部分代码呢？

集成缓存

SOLID原则中的“S”代表——单一功能原则（Single responsibility principle）。当应用程序集成缓存模块之后，缓存模块和服务层就有了强耦合，无法在没有缓存模块的参与下单独运行。

缓存所有内容

有的时候为了降低响应延迟，可能会盲目的对外部调用都加上缓存。事实上，这样的行为很容易让开发者和维护者无法意识到缓存模块的存在，最终对底层依赖模块的可靠性做出了错误的评估。

级联缓存

缓存所有内容，或者只是缓存了大部分内容，可能会导致缓存数据中包含其他缓存数据。

如果应用程序中包含这种级联的缓存结构，可能导致的情况是缓存失效时间不可控。最上层的缓存需要等每一级缓存都失效更新之后，最终返回的数据才会彻底更新。

不可刷新缓存

通常情况下，缓存中间件会提供一个刷新缓存的工具。例如Redis，维护人员可以通过其提供的工具，删除部分数据，甚至刷新整个缓存。

但是，一些临时缓存，可能不会包含这样的工具。例如简单的将数据保存在内容中的缓存，通常不会允许外部工具来修改或者删除缓存内容。这时，如果发现缓存数据异常，维护人员只能采取重启服务的方式，这将大大增加运维成本和响应时间。更有甚者，一些缓存可能会将缓存内容写在文件系统中进行备份。此时除了重启服务，还需要确保应用程序启动之前删除文件系统上的缓存备份。

缓存带来的影响

上面提到了引入缓存可能导致的常见错误，这些问题在无缓存系统中通过不会考虑。

部署一个重度依赖缓存的系统，可能会因为等待缓存失效而花费大量时间。例如通过CDN缓存内容，系统发布之后去刷新CDN配置、CDN缓存的内容，可能需要几个小时。

另外，出现性能瓶颈优先考虑缓存，会导致性能问题被掩盖，得不到真正的解决。事实上，很多时候调优代码花费的时间，和引入缓存组件不会相差太多。

最后，对于包含缓存组件的系统，调试成本会大大增加。经常会发生追踪半天代码，结果数据来自缓存，和实际逻辑上应该依赖的组件没有任何关系。同样的问题也可能出现在执行了所有相关测试用例之后，修改到的代码实际没有被测试到。

如何用好缓存？

放弃缓存！

好吧，很多时候缓存是无法避免的。基于互联网的系统，很难完全避免使用缓存，甚至连http协议头，都包含缓存配置：Cache-Control: max-age=xxx。

了解数据

如果要将数据访问缓存，首先需要了解数据更新策略。只有明确了解数据何时需要更新，才能通过If-Modified-Since头来判断客户端请求的数据是否需要更新，是简单返回304 Not Modified响应让客户端复用之前的本地缓存数据，还是返回最新数据。另外，为了更好利用http协议中的缓存，建议给数据区分版本，或者利用eTag来标记缓存数据的版本。

优化性能而不是使用缓存

前文提到过，使用缓存往往会将潜在性能问题掩盖。尽可能利用性能分析工具，找到应用程序响应缓慢的真实原因并且修复它。例如减少无效代码调用，根据SQL执行计划优化SQL等。

下面是清除应用程序所有缓存的代码

/* 
 * 文 件 名:  DataCleanManager.java 
 * 描   述:  主要功能有清除内/外缓存，清除数据库，清除sharedPreference，清除files和清除自定义目录 
 */  
package com.test.DataClean;  
  
import java.io.File;  
  
import android.content.Context;  
import android.os.Environment;  
  
/** 
 * 本应用数据清除管理器 
 */  
public class DataCleanManager {  
    /** 
     * 清除本应用内部缓存(/data/data/com.xxx.xxx/cache) 
     *  
     * @param context 
     */  
    public static void cleanInternalCache(Context context) {  
        deleteFilesByDirectory(context.getCacheDir());  
    }  
  
    /** 
     * 清除本应用所有数据库(/data/data/com.xxx.xxx/databases) 
     *  
     * @param context 
     */  
    public static void cleanDatabases(Context context) {  
        deleteFilesByDirectory(new File("/data/data/"  
                + context.getPackageName() + "/databases"));  
    }  
  
    /** 
     * 清除本应用SharedPreference(/data/data/com.xxx.xxx/shared_prefs) 
     *  
     * @param context 
     */  
    public static void cleanSharedPreference(Context context) {  
        deleteFilesByDirectory(new File("/data/data/"  
                + context.getPackageName() + "/shared_prefs"));  
    }  
  
    /** 
     * 按名字清除本应用数据库 
     *  
     * @param context 
     * @param dbName 
     */  
    public static void cleanDatabaseByName(Context context, String dbName) {  
        context.deleteDatabase(dbName);  
    }  
  
    /** 
     * 清除/data/data/com.xxx.xxx/files下的内容 
     *  
     * @param context 
     */  
    public static void cleanFiles(Context context) {  
        deleteFilesByDirectory(context.getFilesDir());  
    }  
  
    /** 
     * 清除外部cache下的内容(/mnt/sdcard/android/data/com.xxx.xxx/cache) 
     *  
     * @param context 
     */  
    public static void cleanExternalCache(Context context) {  
        if (Environment.getExternalStorageState().equals(  
                Environment.MEDIA_MOUNTED)) {  
            deleteFilesByDirectory(context.getExternalCacheDir());  
        }  
    }  
  
    /** 
     * 清除自定义路径下的文件，使用需小心，请不要误删。而且只支持目录下的文件删除 
     *  
     * @param filePath 
     */  
    public static void cleanCustomCache(String filePath) {  
        deleteFilesByDirectory(new File(filePath));  
    }  
  
    /** 
     * 清除本应用所有的数据 
     *  
     * @param context 
     * @param filepath 
     */  
    public static void cleanApplicationData(Context context, String... filepath) {  
        cleanInternalCache(context);  
        cleanExternalCache(context);  
        cleanDatabases(context);  
        cleanSharedPreference(context);  
        cleanFiles(context);  
        for (String filePath : filepath) {  
            cleanCustomCache(filePath);  
        }  
    }  
  
    /** 
     * 删除方法 这里只会删除某个文件夹下的文件，如果传入的directory是个文件，将不做处理 
     *  
     * @param directory 
     */  
    private static void deleteFilesByDirectory(File directory) {  
        if (directory != null && directory.exists() && directory.isDirectory()) {  
            for (File item : directory.listFiles()) {  
                item.delete();  
            }  
        }  
    }  
}

总结

缓存是非常有用的工具，但极易被滥用。不到最后一刻不要使用缓存，优先考虑使用其他方式优化应用程序性能。