Spring Cache设计之美,你品,你细品…

原创
08/12 14:57
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摘要:Spring Cache的功能很强大,设计也非常优雅,特别适合缓存控制没有那么细致的场景,比如门户首页,偏静态展示页面,榜单等等

本文分享自华为云社区《品味 spring cache设计之美》,作者:勇哥java实战分享 。

最近负责教育类产品的架构工作,两位研发同学建议:“团队封装的Redis客户端可否适配Spring Cache,这样加缓存就会方便多了” 。

于是边查阅文档边实战,收获颇丰,写这篇文章,想和大家分享笔者学习的过程,一起品味Spring Cache设计之美。

1 硬编码

在学习Spring Cache之前,笔者经常会硬编码的方式使用缓存。

举个例子,为了提升用户信息的查询效率,我们对用户信息使用了缓存,示例代码如下:

 @Autowire
 private UserMapper userMapper;
 @Autowire
 private StringCommand stringCommand;
 //查询用户
 public User getUserById(Long userId) {
 String cacheKey = "userId_" + userId;
 User user=stringCommand.get(cacheKey);
 if(user != null) {
 return user;
 }
   user = userMapper.getUserById(userId);
 if(user != null) {
 stringCommand.set(cacheKey,user);
 return user;
 }
 //修改用户
 public void updateUser(User user){
 userMapper.updateUser(user);
 String cacheKey = "userId_" + userId.getId();
 stringCommand.set(cacheKey , user);
 }
 //删除用户
 public void deleteUserById(Long userId){
 userMapper.deleteUserById(userId);
 String cacheKey = "userId_" + userId.getId();
 stringCommand.del(cacheKey);
 }
 }

相信很多同学都写过类似风格的代码,这种风格符合面向过程的编程思维,非常容易理解。但它也有一些缺点:

  1. 代码不够优雅。业务逻辑有四个典型动作:存储读取修改删除。每次操作都需要定义缓存Key ,调用缓存命令的API,产生较多的重复代码
  2. 缓存操作和业务逻辑之间的代码耦合度高,对业务逻辑有较强的侵入性。

侵入性主要体现如下两点:

    • 开发联调阶段,需要去掉缓存,只能注释或者临时删除缓存操作代码,也容易出错;
    • 某些场景下,需要更换缓存组件,每个缓存组件有自己的API,更换成本颇高。

2 缓存抽象

首先需要明确一点:Spring Cache不是一个具体的缓存实现方案,而是一个对缓存使用的抽象(Cache Abstraction)。

2.1 Spring AOP

Spring AOP是基于代理模式(proxy-based)。

通常情况下,定义一个对象,调用它的方法的时候,方法是直接被调用的。

 Pojo pojo = new SimplePojo();
 pojo.foo();

将代码做一些调整,pojo对象的引用修改成代理类。

ProxyFactory factory = new ProxyFactory(new SimplePojo());
factory.addInterface(Pojo.class);
factory.addAdvice(new RetryAdvice());
Pojo pojo = (Pojo) factory.getProxy(); 
//this is a method call on the proxy!
pojo.foo();

调用pojo的foo方法的时候,实际上是动态生成的代理类调用foo方法。

代理类在方法调用前可以获取方法的参数,当调用方法结束后,可以获取调用该方法的返回值,通过这种方式就可以实现缓存的逻辑。

2.2 缓存声明

缓存声明,也就是标识需要缓存的方法以及缓存策略

Spring Cache 提供了五个注解。

  • @Cacheable:根据方法的请求参数对其结果进行缓存,下次同样的参数来执行该方法时可以直接从缓存中获取结果,而不需要再次执行该方法;
  • @CachePut:根据方法的请求参数对其结果进行缓存,它每次都会触发真实方法的调用;
  • @CacheEvict:根据一定的条件删除缓存;
  • @Caching:组合多个缓存注解;
  • @CacheConfig:类级别共享缓存相关的公共配置。

我们重点讲解:@Cacheable,@CachePut,@CacheEvict三个核心注解。

2.2.1 @Cacheable注解

@Cacheble注解表示这个方法有了缓存的功能。

@Cacheable(value="user_cache",key="#userId", unless="#result == null")
public User getUserById(Long userId) {
 User user = userMapper.getUserById(userId);
 return user;
}

上面的代码片段里,getUserById方法和缓存user_cache 关联起来,若方法返回的User对象不为空,则缓存起来。第二次相同参数userId调用该方法的时候,直接从缓存中获取数据,并返回。

▍ 缓存key的生成

我们都知道,缓存的本质是key-value存储模式,每一次方法的调用都需要生成相应的Key, 才能操作缓存。

通常情况下,@Cacheable有一个属性key可以直接定义缓存key,开发者可以使用SpEL语言定义key值。

若没有指定属性key,缓存抽象提供了 KeyGenerator来生成key ,默认的生成器代码见下图:

它的算法也很容易理解:

  • 如果没有参数,则直接返回SimpleKey.EMPTY
  • 如果只有一个参数,则直接返回该参数;
  • 若有多个参数,则返回包含多个参数的SimpleKey对象。

当然Spring Cache也考虑到需要自定义Key生成方式,需要我们实现org.springframework.cache.interceptor.KeyGenerator 接口。

Object generate(Object target, Method method, Object... params);

然后指定@Cacheable的keyGenerator属性。

@Cacheable(value="user_cache", keyGenerator="myKeyGenerator", unless="#result == null")
public User getUserById(Long userId) 

▍ 缓存条件

有的时候,方法执行的结果是否需要缓存,依赖于方法的参数或者方法执行后的返回值。

注解里可以通过condition属性,通过Spel表达式返回的结果是true 还是false 判断是否需要缓存。

@Cacheable(cacheNames="book", condition="#name.length() < 32")
public Book findBook(String name)

上面的代码片段里,当参数的长度小于32,方法执行的结果才会缓存。

除了condition,unless属性也可以决定结果是否缓存,不过是在执行方法后。

@Cacheable(value="user_cache",key="#userId", unless="#result == null")
public User getUserById(Long userId) {

上面的代码片段里,当返回的结果为null则不缓存。

2.2.2 @CachePut注解

@CachePut注解作用于缓存需要被更新的场景,和 @Cacheable 非常相似,但被注解的方法每次都会被执行。

返回值是否会放入缓存,依赖于condition和unless,默认情况下结果会存储到缓存。

@CachePut(value = "user_cache", key="#user.id", unless = "#result != null")
public User updateUser(User user) {
 userMapper.updateUser(user);
 return user;
}

当调用updateUser方法时,每次方法都会被执行,但是因为unless属性每次都是true,所以并没有将结果缓存。当去掉unless属性,则结果会被缓存。

2.2.3 @CacheEvict注解

@CacheEvict 注解的方法在调用时会从缓存中移除已存储的数据。

@CacheEvict(value = "user_cache", key = "#id")
public void deleteUserById(Long id) {
 userMapper.deleteUserById(id);
}

当调用deleteUserById方法完成后,缓存key等于参数id的缓存会被删除,而且方法的返回的类型是Void ,这和@Cacheable明显不同。

2.3 缓存配置

Spring Cache是一个对缓存使用的抽象,它提供了多种存储集成。

要使用它们,需要简单地声明一个适当的CacheManager - 一个控制和管理Cache的实体。

我们以Spring Cache默认的缓存实现Simple例子,简单探索下CacheManager的机制。

CacheManager非常简单:

public interface CacheManager {
 @Nullable
 Cache getCache(String name);
 Collection<String> getCacheNames();
}

在CacheConfigurations配置类中,可以看到不同集成类型有不同的缓存配置类。

通过SpringBoot的自动装配机制,创建CacheManager的实现类ConcurrentMapCacheManager。

而ConcurrentMapCacheManager的getCache方法,会创建ConcurrentCacheMap。

ConcurrentCacheMap实现了org.springframework.cache.Cache接口。

从Spring Cache的Simple的实现,缓存配置需要实现两个接口:

  • org.springframework.cache.CacheManager
  • org.springframework.cache.Cache

3 入门例子

首先我们先创建一个工程spring-cache-demo。

caffeine和Redisson分别是本地内存和分布式缓存Redis框架中的佼佼者,我们分别演示如何集成它们。

3.1 集成caffeine

3.1.1 maven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>
 <version>2.7.0</version>
</dependency>

3.1.2 Caffeine缓存配置

我们先创建一个缓存配置类MyCacheConfig。

@Configuration
@EnableCaching
public class MyCacheConfig {
 @Bean
 public Caffeine caffeineConfig() {
 return
 Caffeine.newBuilder()
 .maximumSize(10000).
 expireAfterWrite(60, TimeUnit.MINUTES);
 }
 @Bean
 public CacheManager cacheManager(Caffeine caffeine) {
 CaffeineCacheManager caffeineCacheManager = new CaffeineCacheManager();
 caffeineCacheManager.setCaffeine(caffeine);
 return caffeineCacheManager;
 }
}

首先创建了一个Caffeine对象,该对象标识本地缓存的最大数量是10000条,每个缓存数据在写入60分钟后失效。

另外,MyCacheConfig类上我们添加了注解:@EnableCaching

3.1.3 业务代码

根据缓存声明这一节,我们很容易写出如下代码。

@Cacheable(value = "user_cache", unless = "#result == null")
public User getUserById(Long id) {
 return userMapper.getUserById(id);
}
@CachePut(value = "user_cache", key = "#user.id", unless = "#result == null")
public User updateUser(User user) {
 userMapper.updateUser(user);
 return user;
}
@CacheEvict(value = "user_cache", key = "#id")
public void deleteUserById(Long id) {
 userMapper.deleteUserById(id);
}

这段代码与硬编码里的代码片段明显精简很多。

当我们在Controller层调用 getUserById方法时,调试的时候,配置mybatis日志级别为DEBUG,方便监控方法是否会缓存。

第一次调用会查询数据库,打印相关日志:

Preparing: select * FROM user t where t.id = ? 
Parameters: 1(Long)
Total: 1

第二次调用查询方法的时候,数据库SQL日志就没有出现了, 也就说明缓存生效了。

3.2 集成Redisson

3.2.1 maven依赖

<dependency>
 <groupId>org.Redisson</groupId>
 <artifactId>Redisson</artifactId>
 <version>3.12.0</version>
</dependency>

3.2.2 Redisson缓存配置

@Bean(destroyMethod = "shutdown")
public RedissonClient Redisson() {
  Config config = new Config();
 config.useSingleServer()
 .setAddress("redis://127.0.0.1:6201").setPassword("ts112GpO_ay");
 return Redisson.create(config);
}
@Bean
CacheManager cacheManager(RedissonClient RedissonClient) {
  Map<String, CacheConfig> config = new HashMap<String, CacheConfig>();
 // create "user_cache" spring cache with ttl = 24 minutes and maxIdleTime = 12 minutes
 config.put("user_cache", 
 new CacheConfig(
 24 * 60 * 1000, 
 12 * 60 * 1000));
 return new RedissonSpringCacheManager(RedissonClient, config);
}

可以看到,从Caffeine切换到Redisson,只需要修改缓存配置类,定义CacheManager 对象即可。而业务代码并不需要改动。

Controller层调用 getUserById方法,用户ID为1的时候,可以从Redis Desktop Manager里看到: 用户信息已被缓存,user_cache缓存存储是Hash数据结构。

因为Redisson默认的编解码是FstCodec, 可以看到key的名称是: \xF6\x01。

在缓存配置代码里,可以修改编解码器。

public RedissonClient Redisson() {
 Config config = new Config();
 config.useSingleServer()
 .setAddress("redis://127.0.0.1:6201").setPassword("ts112GpO_ay");
 config.setCodec(new JsonJacksonCodec());
 return Redisson.create(config);
}

再次调用 getUserById方法 ,控制台就变成:

可以观察到:缓存key已经变成了:[“java.lang.Long”,1],改变序列化后key和value已发生了变化。

3.3 从列表缓存再次理解缓存抽象

列表缓存在业务中经常会遇到。通常有两种实现形式:

  1. 整体列表缓存;
  2. 按照每个条目缓存,通过redis,memcached的聚合查询方法批量获取列表,若缓存没有命中,则从数据库重新加载,并放入缓存里。

那么Spring cache整合Redisson如何缓存列表数据呢?

@Cacheable(value = "user_cache")
public List<User> getUserList(List<Long> idList) {
 return userMapper.getUserByIds(idList);
}

执行getUserList方法,参数id列表为:[1,3] 。

执行完成之后,控制台里可以看到:列表整体直接被缓存起来,用户列表缓存和用户条目缓存并没有共享,他们是平行的关系。

这种情况下,缓存的颗粒度控制也没有那么细致。

类似这样的思考,很多开发者也向Spring Framework研发团队提过。

官方的回答也很明确:对于缓存抽象来讲,它并不关心方法返回的数据类型,假如是集合,那么也就意味着需要把集合数据在缓存中保存起来。

还有一位开发者,定义了一个@CollectionCacheable注解,并做出了原型,扩展了Spring Cache的列表缓存功能。

 @Cacheable("myCache")
 public String findById(String id) {
 //access DB backend return item
 }
 @CollectionCacheable("myCache") 
 public Map<String, String> findByIds(Collection<String> ids) {
 //access DB backend,return map of id to item
 }

官方也未采纳,因为缓存抽象并不想引入太多的复杂性

写到这里,相信大家对缓存抽象有了更进一步的理解。当我们想实现更复杂的缓存功能时,需要对Spring Cache做一定程度的扩展。

4 自定义二级缓存

4.1 应用场景

笔者曾经在原来的项目,高并发场景下多次使用多级缓存。多级缓存是一个非常有趣的功能点,值得我们去扩展。

多级缓存有如下优势:

  1. 离用户越近,速度越快;
  2. 减少分布式缓存查询频率,降低序列化和反序列化的CPU消耗;
  3. 大幅度减少网络IO以及带宽消耗。

进程内缓存做为一级缓存,分布式缓存做为二级缓存,首先从一级缓存中查询,若能查询到数据则直接返回,否则从二级缓存中查询,若二级缓存中可以查询到数据,则回填到一级缓存中,并返回数据。若二级缓存也查询不到,则从数据源中查询,将结果分别回填到一级缓存,二级缓存中。

Spring Cache并没有二级缓存的实现,我们可以实现一个简易的二级缓存DEMO,加深对技术的理解。

4.2 设计思路

  1. MultiLevelCacheManager:多级缓存管理器;
  2. MultiLevelChannel:封装Caffeine和RedissonClient;
  3. MultiLevelCache:实现org.springframework.cache.Cache接口;
  4. MultiLevelCacheConfig:配置缓存过期时间等;

MultiLevelCacheManager是最核心的类,需要实现getCachegetCacheNames两个接口。

创建多级缓存,第一级缓存是:Caffeine , 第二级缓存是:Redisson。

二级缓存,为了快速完成DEMO,我们使用Redisson对Spring Cache的扩展类RedissonCache 。它的底层是RMap,底层存储是Hash。

我们重点看下缓存的「查询」和「存储」的方法:

@Override
public ValueWrapper get(Object key) {
 Object result = getRawResult(key);
 return toValueWrapper(result);
}
public Object getRawResult(Object key) {
    logger.info("从一级缓存查询key:" + key);
 Object result = localCache.getIfPresent(key);
 if (result != null) {
 return result;
 }
    logger.info("从二级缓存查询key:" + key);
    result = RedissonCache.getNativeCache().get(key);
 if (result != null) {
 localCache.put(key, result);
 }
 return result;
}

查询」数据的流程:

  1. 先从本地缓存中查询数据,若能查询到,直接返回;
  2. 本地缓存查询不到数据,查询分布式缓存,若可以查询出来,回填到本地缓存,并返回;
  3. 若分布式缓存查询不到数据,则默认会执行被注解的方法。

下面来看下「存储」的代码:

public void put(Object key, Object value) {
    logger.info("写入一级缓存 key:" + key);
 localCache.put(key, value);
    logger.info("写入二级缓存 key:" + key);
 RedissonCache.put(key, value);
}

最后配置缓存管理器,原有的业务代码不变。

执行下getUserById方法,查询用户编号为1的用户信息。

- 从一级缓存查询key:1
- 从二级缓存查询key:1
- ==> Preparing: select * FROM user t where t.id = ? 
- ==> Parameters: 1(Long)
- <== Total: 1
- 写入一级缓存 key:1
- 写入二级缓存 key:1

第二次执行相同的动作,从日志可用看到从优先会从本地内存中查询出结果。

- 从一级缓存查询key:1

等待30s , 再执行一次,因为本地缓存会失效,所以执行的时候会查询二级缓存

- 从一级缓存查询key:1
- 从二级缓存查询key:1

一个简易的二级缓存就组装完了。

5 什么场景选择Spring Cache

在做技术选型的时候,需要针对场景选择不同的技术。

笔者认为Spring Cache的功能很强大,设计也非常优雅。特别适合缓存控制没有那么细致的场景。比如门户首页,偏静态展示页面,榜单等等。这些场景的特点是对数据实时性没有那么严格的要求,只需要将数据源缓存下来,过期之后自动刷新即可。 这些场景下,Spring Cache就是神器,能大幅度提升研发效率。

但在高并发大数据量的场景下,精细的缓存颗粒度的控制上,还是需要做功能扩展。

  1. 多级缓存;
  2. 列表缓存;
  3. 缓存变更监听器;

 

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