Spring缓存是如何实现的?如何扩展使其支持过期删除功能? | 京东云技术团队

原创
2023/08/21 10:32
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AI总结

前言:在我们的应用中,有一些数据是通过rpc获取的远端数据,该数据不会经常变化,允许客户端在本地缓存一定时间。

该场景逻辑简单,缓存数据较小,不需要持久化,所以不希望引入其他第三方缓存工具加重应用负担,非常适合使用Spring Cache来实现。

但有个问题是,我们希望将这些rpc结果数据缓存起来,并在一定时间后自动删除,以实现在一定时间后获取到最新数据。类似Redis的过期时间。
接下来是我的调研步骤和开发过程。

Spring Cache 是什么?

Spring Cache 是 Spring 的一个缓存抽象层,作用是在方法调用时自动缓存返回结果,以提高系统性能和响应速度。
目标是简化缓存的使用,提供一致的缓存访问方式,使开发人员能够轻松快速地将缓存添加到应用程序中。
应用于方法级别,在下次调用相同参数的方法时,直接从缓存中获取结果,而不必执行实际的方法体。

适用场景?

包括但不限于:

  • 频繁访问的方法调用,可以通过缓存结果来提高性能

  • 数据库查询结果,可以缓存查询结果以减少数据库访问

  • 外部服务调用结果,可以缓存外部服务的响应结果以减少网络开销

  • 计算结果,可以缓存计算结果以加快后续计算速度

优缺点

优点:

  • 提高应用的性能,避免重复计算或查询。

  • 减少对底层资源的访问,如数据库或远程服务,从而减轻负载。

  • 简化代码,通过注解的方式实现缓存逻辑,而不需要手动编写缓存代码。

缺点:

  • 需要占用一定的内存空间来存储缓存数据。

  • 可能导致数据不一致问题,如果缓存的数据发生变化,但缓存没有及时更新,可能会导致脏数据的问题。(所以需要及时更新缓存)

  • 可能引发缓存穿透问题,当大量请求同时访问一个不存在于缓存中的键时,会导致请求直接落到底层资源,增加负载。

重要组件

  1. CacheManager:缓存管理器,用于创建、配置和管理缓存对象。可以配置具体的缓存实现,如 Ehcache、Redis。

  2. Cache:缓存对象,用于存储缓存数据,提供了读取、写入和删除缓存数据的方法。

  3. 常用注解:

    • @Cacheable:被调用时,会检查缓存中是否已存在,若有,则直接返回缓存结果,否则执行方法并将结果存入缓存,适用于只读操作。

    • @CachePut:则每次都会执行方法体,并将结果存入缓存,即每次都会更新缓存中的数据,适用于写操作。

    • @CacheEvict:被调用时,Spring Cache 会清除对应的缓存数据。

使用方式

  1. 配置缓存管理器(CacheManager):使用@EnableCaching注解启用缓存功能,并配置具体的缓存实现。

  2. 在方法上添加缓存注解:使用@Cacheable@CacheEvict@CachePut等注解标记需要被缓存的方法。

  3. 调用被缓存的方法:当调用被标记为缓存的方法时,Spring Cache 会检查缓存中是否已有该方法的缓存结果。

  4. 根据缓存结果返回数据:如果缓存中已有结果,则直接从缓存中返回;否则,执行方法并将结果存入缓存。

  5. 根据需要清除或更新缓存:使用@CacheEvict@CachePut注解可以在方法调用后清除或更新缓存。
    通过以上步骤,Spring Cache 可以自动管理缓存的读写操作,从而简化缓存的使用和管理。

Spring Boot默认使用哪种实现,及其优缺点:

Spring Boot默认使用ConcurrentMapCacheManager作为缓存管理器的实现,适用于简单的、单机的、对缓存容量要求较小的应用场景。

  • 优点:

    1. 简单轻量:没有外部依赖,适用于简单的应用场景。

    2. 内存存储:缓存数据存储在内存中的ConcurrentMap中,读写速度快,适用于快速访问和频繁更新的数据。

    3. 多缓存实例支持:支持配置多个命名缓存实例,每个实例使用独立的ConcurrentMap存储数据,可以根据不同的需求配置多个缓存实例。

  • 缺点:

    1. 单机应用限制:ConcurrentMapCacheManager适用于单机应用,缓存数据存储在应用的内存中,无法实现分布式缓存。

    2. 有限的容量:由于缓存数据存储在内存中,ConcurrentMapCacheManager的容量受限于应用的内存大小,对于大规模数据或高并发访问的场景可能存在容量不足的问题。

    3. 缺乏持久化支持:ConcurrentMapCacheManager不支持将缓存数据持久化到磁盘或其他外部存储介质,应用重启后缓存数据会丢失。

如何让ConcurrentMapCacheManager支持过期自动删除

前言也提到了,我们的场景逻辑简单,缓存数据较小,不需要持久化,不希望引入其他第三方缓存工具加重应用负担,适合使用ConcurrentMapCacheManager。所以扩展下ConcurrentMapCacheManager也许是最简单的实现。

方案设计

为此,我设计了三种方案:

  1. 开启定时任务,扫描缓存,定时删除所有缓存;该方式简单粗暴,统一定时删除,但不能针对单条数据进行过期操作。

  2. 开启定时任务,扫描缓存,并将单条过期的缓存数据删除。

  3. 访问缓存数据之前,判断是否过期,若过期则重新执行方法体,并将结果覆盖原缓存数据。

上述2、3方案都更贴近目标,且都有一个共同的难点,即如何判断该缓存是否过期?或如何存放缓存的过期时间?
既然没有好办法,那就走一波源码找找思路吧!

源码解析

ConcurrentMapCacheManager中定义了一个cacheMap(如下代码),用于存储所有缓存名及对应缓存对象。

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

cacheMap中的存放的Cache的具体类型为ConcurrentMapCache
ConcurrentMapCache的内部定义了一个store(如下代码),用于存储该缓存下所有key、value,即真正的缓存数据。

private final ConcurrentMap<Object, Object> store;

其关系图为:

img_2.png

以下为测试代码,为一个查询增加缓存操作:cacheName=getUsersByName,key为参数name的值,value为查询用户集合。

@Service
public class UserServiceImpl implements UserService {
    @Autowired
    private UserMapper userMapper;

    @Override
    @Cacheable(value = "getUsersByName", key = "#name")
    public List<GyhUser> getUsersByName(String name) {
        return userMapper.getUsersByName(name);
    }
}

当程序调用到此方法前,会自动进入缓存拦截器CacheInterceptor,进而进入ConcurrentMapCacheManagergetCache方法,获取对应的缓存实例,若不存在,则生成一个。
img_1.png
然后从缓存实例中查找缓存数据,找到则返回,找不到则执行目标方法。
img_3.png

执行完目标方法后,将返回结果放到缓存中。
img_4.png

实现自动过期删除

根据上面的代码跟踪可以发现,缓存数据key/value存放在具体的缓存实例ConcurrentMapCachestore中,且get和put前后,有我可以操作的空间。

  1. 那么,如果我将value重新包装一下,将缓存时间封装进去,并在get和put前后,将真正的缓存数据解析出来,供开发者使用,是否可以实现呢?说干就干!
/**
 * 缓存数据包装类,保证缓存数据及插入时间
 */
public class ExpireCacheWrap {
    /**
     * 缓存数据
     */
    private final Object value;
    /**
     * 插入时间
     */
    private final Long insertTime;

    public ExpireCacheWrap(Object value, Long insertTime) {
        this.value = value;
        this.insertTime = insertTime;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    public Long getInsertTime() {
        return this.insertTime;
    }
}

  1. 自定义一个Cache类,继承ConcurrentMapCache,扩展get、put方法,实现对缓存时间的记录和解析
/**
 * 缓存过期删除
 */
public class ExpireCache extends ConcurrentMapCache {
    public ExpireCache(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public ValueWrapper get(Object key) {
        // 解析缓存对象时,拿到value,去掉插入时间。对于业务中缓存的使用逻辑无感知无侵入,无需调整相关代码
        ValueWrapper valueWrapper = super.get(key);
        if (valueWrapper == null) {
            return null;
        }
        Object storeValue = valueWrapper.get();
        storeValue = storeValue != null ? ((ExpireCacheWrap) storeValue).getValue() : null;
        return super.toValueWrapper(storeValue);
    }

    @Override
    public void put(Object key, @Nullable Object value) {
        // 插入缓存对象时,封装对象信息:缓存内容+插入时间
        value = new ExpireCacheWrap(value, System.currentTimeMillis());
        super.put(key, value);
    }
}

  1. 自定义缓存管理器,将自定义的ExpireCache,替换默认的ConcurrentMapCache
/**
 * 缓存管理器
 */
public class ExpireCacheManager extends ConcurrentMapCacheManager {
    @Override
    protected Cache createConcurrentMapCache(String name) {
        return new ExpireCache(name);
    }
}

  1. 将自定义的缓存管理器ExpireCacheManager注入到容器中
@Configuration
class ExpireCacheConfiguration {
    @Bean
    public ExpireCacheManager cacheManager() {
        ExpireCacheManager cacheManager = new ExpireCacheManager();
        return cacheManager;
    }
}

  1. 开启定时任务,自动删除过期缓存
/**
 * 定时执行删除过期缓存
 */
@Component
@Slf4j
public class ExpireCacheEvictJob {

    @Autowired
    private ExpireCacheManager cacheManager;
    /**
     * 缓存名与缓存时间
     */
    private static Map<String, Long> cacheNameExpireMap;
    // 可以优化到配置文件或字典中
    static {
        cacheNameExpireMap = new HashMap<>(5);
        cacheNameExpireMap.put("getUserById", 180000L);
        cacheNameExpireMap.put("getUsersByName", 300000L);
    }

    /**
     * 5分钟执行一次
     */
    @Scheduled(fixedRate = 300000)
    public void cacheEvict() {
        Long now = System.currentTimeMillis();
        // 获取所有缓存
        Collection<String> cacheNames = cacheManager.getCacheNames();
        for (String cacheName : cacheNames) {
            // 该类缓存设置的过期时间
            Long expire = cacheNameExpireMap.get(cacheName);
            // 获取该缓存的缓存内容集合
            Cache cache = cacheManager.getCache(cacheName);
            ConcurrentMap<Object, Object> store = (ConcurrentMap) cache.getNativeCache();
            Set<Object> keySet = store.keySet();
            // 循环获取缓存键值对,根据value中存储的插入时间,判断key是否已过期,过期则删除
            keySet.stream().forEach(key -> {
                // 缓存内容包装对象
                ExpireCacheWrap value = (ExpireCacheWrap) store.get(key);
                // 缓存内容插入时间
                Long insertTime = value.getInsertTime();
                if ((insertTime + expire) < now) {
                    cache.evict(key);
                    log.info("key={},insertTime={},expire={},过期删除", key, insertTime, expire);
                }
            });
        }

    }
}


通过以上操作,实现了让ConcurrentMapCacheManager支持过期自动删除,并且对开发者基本无感知无侵入,只需要在配置文件中配置缓存时间即可。

但是如果我的项目已经支持了第三方缓存如Redis,秉着不用白不用的原则,又该如何将该功能嫁接到Redis上呢?

正正好我们的项目最近在引入R2m,就试着搞一下吧^-^。

未完待续~Thanks~

作者:京东科技 郭艳红

来源:京东云开发者社区

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