前言

最近在看Mybatis的源碼，剛好看到緩存這一塊，Mybatis提供了一級緩存和二級緩存；一級緩存相對來說比較簡單，功能比較齊全的是二級緩存，基本上滿足了一個緩存該有的功能；當(dāng)然如果拿來和專門的緩存框架如ehcache來對比可能稍有差距；本文千鋒Java培訓(xùn)講師帶大家來整理一下實(shí)現(xiàn)一個本地緩存都應(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，能存儲多少數(shù)據(jù)，多余的數(shù)據(jù)如何處理等幾個點(diǎn)，下面我們來詳細(xì)的介紹每個考慮點(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，用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，最簡單的就直接用Map來存儲數(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.對象上限

因?yàn)槭潜镜鼐彺?，?nèi)存有上限，所以一般都會指定緩存對象的數(shù)量比如1024，當(dāng)達(dá)到某個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.過期時間

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

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線程同時訪問的，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.簡明的接口

提供一個傻瓜式的對外接口是很有必要的，對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源碼的時候，二級緩存提供了一個blocking標(biāo)識，表示當(dāng)在緩存中找不到元素時，它設(shè)置對緩存鍵的鎖定；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；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，比如調(diào)用對外的接口，查詢數(shù)據(jù)庫，計(jì)算量很大的結(jié)果等等；這時候如果多個線程同時調(diào)用get方法獲取的結(jié)果都為null，每個線程都去執(zhí)行一遍費(fèi)時的計(jì)算，其實(shí)也是對資源的浪費(fèi)；比較好的辦法是只有一個線程去執(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，比如guava使用ConcurrentHashMap，ehcache也是用了ConcurrentHashMap，Mybatis二級緩存使用HashMap來存儲：

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SynchronizedCache用來包裝，保證線程的安全性；

當(dāng)然除了使用Map來存儲，可能還使用其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲，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.對象上限

本地緩存常見的一個屬性，一般緩存都會有一個默認(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，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

配合對象上限之后使用，場景的清除策略如：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，移除最長時間不被使用的對象；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)則移除對象；常見使用WeakReference來實(shí)現(xiàn)；

4.過期時間

設(shè)置過期時間，讓緩存數(shù)據(jù)在指定時間過后自動刪除；常見的過期數(shù)據(jù)刪除策略有兩種方式：被動刪除和主動刪除；

被動刪除：每次進(jìn)行g(shù)et/put操作的時候都會檢查一下當(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();

}

主動刪除：專門有一個job在后臺定期去檢查數(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，相對來說也是比較簡潔的：

public interface Cache<K, V> {

V getIfPresent(@CompatibleWith("K") Object key);

V get(K key, Callable<? extends V> loader) throws ExecutionException;

ImmutableMap<K, V> getAllPresent(Iterable<?> keys);

void put(K key, V value);

void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

void invalidate(@CompatibleWith("K") Object key);

void invalidateAll(Iterable<?> keys);

void invalidateAll();

long size();

CacheStats stats();

ConcurrentMap<K, V> 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.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<<java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)>>的時候其中有實(shí)現(xiàn)一個很完美的緩存，大致代碼如下：

public class Memoizerl<A, V> implements Computable<A, V> {

private final Map<A, Future<V>> cache = new ConcurrentHashMap<A, Future<V>>();

private final Computable<A, V> c;

public Memoizerl(Computable<A, V> c) {

this.c = c;

}

@Override

public V compute(A arg) throws InterruptedException, ExecutionException {

while (true) {

Future<V> f = cache.get(arg);

if (f == null) {

Callable<V> eval = new Callable<V>() {

@Override

public V call() throws Exception {

return c.compute(arg);

}

};

FutureTask<V> ft = new FutureTask<V>(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是一個計(jì)算很費(fèi)時的方法，所以這里把計(jì)算的結(jié)果緩存起來，但是有個問題就是如果兩個線程同時進(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，同時只會寫入一個FutureTask；

總結(jié)：要設(shè)計(jì)一個本地緩存都需要考慮哪些點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對象上限，清除策略，過期時間，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。