SpringBoot整合本地快取效能之Caffeine實例分析

引言

使用缓存的目的就是提高性能，今天码哥带大家实践运用 spring-boot-starter-cache 抽象的缓存组件去集成本地缓存性能之王 Caffeine。

大家需要注意的是：in-memeory 缓存只适合在单体应用，不适合与分布式环境。

分布式环境的情况下需要将缓存修改同步到每个节点，需要一个同步机制保证每个节点缓存数据最终一致。

Spring Cache 是什么

不使用 Spring Cache 抽象的缓存接口，我们需要根据不同的缓存框架去实现缓存，需要在对应的代码里面去对应缓存加载、删除、更新等。

比如查询我们使用旁路缓存策略：先从缓存中查询数据，如果查不到则从数据库查询并写到缓存中。

伪代码如下：

public User getUser(long userId) {
    // 从缓存查询
    User user = cache.get(userId);
    if (user != null) {
        return user;
    }
    // 从数据库加载
    User dbUser = loadDataFromDB(userId);
    if (dbUser != null) {
        // 设置到缓存中
        cache.put(userId, dbUser)
    }
    return dbUser;
}

我们需要写大量的这种繁琐代码，Spring Cache 则对缓存进行了抽象，提供了如下几个注解实现了缓存管理：

• @Cacheable：触发缓存读取操作，用于查询方法上，如果缓存中找到则直接取出缓存并返回，否则执行目标方法并将结果缓存。

• @CachePut：触发缓存更新的方法上，与 Cacheable 相比，该注解的方法始终都会被执行，并且使用方法返回的结果去更新缓存，适用于 insert 和 update 行为的方法上。

• @CacheEvict：触发缓存失效，删除缓存项或者清空缓存，适用于 delete 方法上。

除此之外，抽象的 CacheManager 既能集成基于本地内存的单体应用，也能集成 EhCache、Redis 等缓存服务器。

最方便的是通过一些简单配置和注解就能接入不同的缓存框架，无需修改任何代码。

集成 Caffeine

码哥带大家使用注解方式完成缓存操作的方式来集成，完整的代码请访问 github：在 pom.xml 文件添加如下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
</dependency>

使用 JavaConfig 方式配置 CacheManager：

@Slf4j
@EnableCaching
@Configuration
public class CacheConfig {
    @Autowired
    @Qualifier("cacheExecutor")
    private Executor cacheExecutor;
    @Bean
    public Caffeine<Object, Object> caffeineCache() {
        return Caffeine.newBuilder()
                // 设置最后一次写入或访问后经过固定时间过期
                .expireAfterAccess(7, TimeUnit.DAYS)
                // 初始的缓存空间大小
                .initialCapacity(500)
                // 使用自定义线程池
                .executor(cacheExecutor)
                .removalListener(((key, value, cause) -> log.info("key:{} removed, removalCause:{}.", key, cause.name())))
                // 缓存的最大条数
                .maximumSize(1000);
    }
    @Bean
    public CacheManager cacheManager() {
        CaffeineCacheManager caffeineCacheManager = new CaffeineCacheManager();
        caffeineCacheManager.setCaffeine(caffeineCache());
        // 不缓存空值
        caffeineCacheManager.setAllowNullValues(false);
        return caffeineCacheManager;
    }
}

准备工作搞定，接下来就是如何使用了。

@Slf4j
@Service
public class AddressService {
    public static final String CACHE_NAME = "caffeine:address";
    private static final AtomicLong ID_CREATOR = new AtomicLong(0);
    private Map<Long, AddressDTO> addressMap;
    public AddressService() {
        addressMap = new ConcurrentHashMap<>();
        addressMap.put(ID_CREATOR.incrementAndGet(), AddressDTO.builder().customerId(ID_CREATOR.get()).address("地址1").build());
        addressMap.put(ID_CREATOR.incrementAndGet(), AddressDTO.builder().customerId(ID_CREATOR.get()).address("地址2").build());
        addressMap.put(ID_CREATOR.incrementAndGet(), AddressDTO.builder().customerId(ID_CREATOR.get()).address("地址3").build());
    }
    @Cacheable(cacheNames = {CACHE_NAME}, key = "#customerId")
    public AddressDTO getAddress(long customerId) {
        log.info("customerId：{} 没有走缓存，开始从数据库查询", customerId);
        return addressMap.get(customerId);
    }
    @CachePut(cacheNames = {CACHE_NAME}, key = "#result.customerId")
    public AddressDTO create(String address) {
        long customerId = ID_CREATOR.incrementAndGet();
        AddressDTO addressDTO = AddressDTO.builder().customerId(customerId).address(address).build();
        addressMap.put(customerId, addressDTO);
        return addressDTO;
    }
    @CachePut(cacheNames = {CACHE_NAME}, key = "#result.customerId")
    public AddressDTO update(Long customerId, String address) {
        AddressDTO addressDTO = addressMap.get(customerId);
        if (addressDTO == null) {
            throw new RuntimeException("没有 customerId = " + customerId + "的地址");
        }
        addressDTO.setAddress(address);
        return addressDTO;
    }
    @CacheEvict(cacheNames = {CACHE_NAME}, key = "#customerId")
    public boolean delete(long customerId) {
        log.info("缓存 {} 被删除", customerId);
        return true;
    }
}

使用 CacheName 隔离不同业务场景的缓存，每个 Cache 内部持有一个 map 结构存储数据，key 可用使用 Spring 的 Spel 表达式。

单元测试走起：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(classes = CaffeineApplication.class)
@Slf4j
public class CaffeineApplicationTests {
    @Autowired
    private AddressService addressService;
    @Autowired
    private CacheManager cacheManager;
    @Test
    public void testCache() {
        // 插入缓存 和数据库
        AddressDTO newInsert = addressService.create("南山大道");
        // 要走缓存
        AddressDTO address = addressService.getAddress(newInsert.getCustomerId());
        long customerId = 2;
        // 第一次未命中缓存，打印 customerId：{} 没有走缓存，开始从数据库查询
        AddressDTO address2 = addressService.getAddress(customerId);
        // 命中缓存
        AddressDTO cacheAddress2 = addressService.getAddress(customerId);
        // 更新数据库和缓存
        addressService.update(customerId, "地址 2 被修改");
        // 更新后查询，依然命中缓存
        AddressDTO hitCache2 = addressService.getAddress(customerId);
        Assert.assertEquals(hitCache2.getAddress(), "地址 2 被修改");
        // 删除缓存
        addressService.delete(customerId);
        // 未命中缓存, 从数据库读取
        AddressDTO hit = addressService.getAddress(customerId);
        System.out.println(hit.getCustomerId());
    }
}

大家发现没，只需要在对应的方法上加上注解，就能愉快的使用缓存了。需要注意的是， 设置的 cacheNames 一定要对应，每个业务场景使用对应的 cacheNames。

另外 key 可以使用 spel 表达式，大家重点可以关注 @CachePut(cacheNames = {CACHE_NAME}, key = "#result.customerId")，result 表示接口返回结果，Spring 提供了几个元数据直接使用。

名称	地点	描述	例子
methodName	根对象	被调用的方法的名称	#root.methodName
method	根对象	被调用的方法	#root.method.name
target	根对象	被调用的目标对象	#root.target
targetClass	根对象	被调用的目标的类	#root.targetClass
args	根对象	用于调用目标的参数（作为数组）	#root.args[0]
caches	根对象	运行当前方法的缓存集合	#root.caches[0].name
参数名称	评估上下文	任何方法参数的名称。如果名称不可用（可能是由于没有调试信息），则参数名称也可在#a where#arg代表参数索引（从 开始0）下获得。	#iban或#a0（您也可以使用#p0或#p表示法作为别名）。
result	评估上下文	方法调用的结果（要缓存的值）。仅在unless 表达式、cache put表达式（计算key）或cache evict 表达式（when beforeInvocationis false）中可用。对于支持的包装器（例如 Optional），#result指的是实际对象，而不是包装器。	#result

核心原則

Java Caching定義了5個核心接口，分別是 CachingProvider, CacheManager, Cache, Entry 和 Expiry。

核心類別圖：

• #Cache：抽象了快取的操作，例如， get()、put()；

• CacheManager：管理Cache，可以理解成Cache 的集合管理，之所以有多個Cache，是因為可以根據不同場景使用不同的緩存失效時間和數量限制。

• CacheInterceptor、CacheAspectSupport、AbstractCacheInvoker：CacheInterceptor 是AOP 方法攔截器，在方法前後做額外的邏輯，例如查詢操作，先查緩存，找不到資料再執行方法，並且把方法的結果寫入快取等，它繼承了CacheAspectSupport（快取操作的主體邏輯）、AbstractCacheInvoker（封裝了對Cache 的讀寫）。

• CacheOperation、AnnotationCacheOperationSource、SpringCacheAnnotationParser：CacheOperation定義了快取操作的快取名字、快取key、快取條件condition、CacheManager等，AnnotationCacheOperationSource 是一個取得快取註解對應CacheOperation 的類別，而OacheOperation ache是解析註解的類別，解析後會封裝成CacheOperation 集合供AnnotationCacheOperationSource 查找。

CacheAspectSupport：快取切面支援類，是CacheInterceptor 的父類，封裝了所有的快取操作的主體邏輯。

主要流程如下：

• 透過CacheOperationSource，取得所有的CacheOperation清單

• 如果有@CacheEvict註解、並且標記為在呼叫前執行，則做刪除/清空快取的操作

• 如果有@Cacheable註解，查詢快取

• 如果快取未命中（查詢結果為null），則新增至cachePutRequests，後續執行原始方法後會寫入快取

• 快取命中時，使用快取值作為結果；快取未命中、或有@CachePut註解時，需要呼叫原始方法，使用原始方法的回傳值作為結果

• #如果有@CachePut註解，則加入cachePutRequests

• #如果快取未命中，則把查詢結果值寫入快取；如果有@CachePut註解，也把方法執行結果寫入快取

• 如果有@CacheEvict註解、並且標記為在呼叫後執行，則做刪除/清空快取的操作

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