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Java 本地缓存之王Caffeine

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一、Caffeine介绍

1、缓存介绍

缓存(Cache)在代码世界中无处不在。从底层的CPU多级缓存，到客户端的页面缓存，处处都存在着缓存的身影。缓存从本质上来说，是一种空间换时间的手段，通过对数据进行一定的空间安排，使得下次进行数据访问时起到加速的效果。

就Java而言，其常用的缓存解决方案有很多，例如数据库缓存框架EhCache，分布式缓存Memcached等，这些缓存方案实际上都是为了提升吞吐效率，避免持久层压力过大。

对于常见缓存类型而言，可以分为本地缓存以及分布式缓存两种，Caffeine就是一种优秀的本地缓存，而Redis可以用来做分布式缓存

2、Caffeine介绍

Caffeine官方：

https://github.com/ben-manes/caffeine

Caffeine是基于Java 1.8的高性能本地缓存库，由Guava改进而来，而且在Spring5开始的默认缓存实现就将Caffeine代替原来的Google Guava，官方说明指出，其缓存命中率已经接近最优值。实际上Caffeine这样的本地缓存和ConcurrentMap很像，即支持并发，并且支持O(1)时间复杂度的数据存取。二者的主要区别在于：

  • • ConcurrentMap将存储所有存入的数据，直到你显式将其移除；

  • • Caffeine将通过给定的配置，自动移除“不常用”的数据，以保持内存的合理占用。

因此，一种更好的理解方式是：Cache是一种带有存储和移除策略的Map。

Java 本地缓存之王Caffeine

二、Caffeine基础

使用Caffeine，需要在工程中引入如下依赖

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
    <!--https://mvnrepository.com/artifact/com.github.ben-manes.caffeine/caffeinez找最新版-->
    <version>3.0.5</version>
</dependency>

1、缓存加载策略

1.1 Cache手动创建

最普通的一种缓存，无需指定加载方式，需要手动调用put()进行加载。需要注意的是put()方法对于已存在的key将进行覆盖，这点和Map的表现是一致的。在获取缓存值时，如果想要在缓存值不存在时，原子地将值写入缓存，则可以调用get(key, k -> value)方法，该方法将避免写入竞争。调用invalidate()方法，将手动移除缓存。

在多线程情况下，当使用get(key, k -> value)时，如果有另一个线程同时调用本方法进行竞争，则后一线程会被阻塞，直到前一线程更新缓存完成；而若另一线程调用getIfPresent()方法，则会立即返回null，不会被阻塞。

Cache<Object,Object> cache =Caffeine.newBuilder()
//初始数量
.initialCapacity(10)
//最大条数
.maximumSize(10)
//expireAfterWrite和expireAfterAccess同时存在时，以expireAfterWrite为准
//最后一次写操作后经过指定时间过期
.expireAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
//最后一次读或写操作后经过指定时间过期
.expireAfterAccess(1,TimeUnit.SECONDS)
//监听缓存被移除
.removalListener((key, val, removalCause)->{})
//记录命中
.recordStats()
.build();

  cache.put("1","张三");
//张三
System.out.println(cache.getIfPresent("1"));
//存储的是默认值
System.out.println(cache.get("2",o ->"默认值"));

1.2 Loading Cache自动创建

LoadingCache是一种自动加载的缓存。其和普通缓存不同的地方在于，当缓存不存在/缓存已过期时，若调用get()方法，则会自动调用CacheLoader.load()方法加载最新值。调用getAll()方法将遍历所有的key调用get()，除非实现了CacheLoader.loadAll()方法。使用LoadingCache时，需要指定CacheLoader，并实现其中的load()方法供缓存缺失时自动加载。 在多线程情况下，当两个线程同时调用get()，则后一线程将被阻塞，直至前一线程更新缓存完成。

LoadingCache<String,String> loadingCache =Caffeine.newBuilder()
//创建缓存或者最近一次更新缓存后经过指定时间间隔，刷新缓存；refreshAfterWrite仅支持LoadingCache
.refreshAfterWrite(10,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterWrite(10,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterAccess(10,TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(10)
//根据key查询数据库里面的值，这里是个lamba表达式
.build(key ->newDate().toString());

1.3 Async Cache异步获取

AsyncCache是Cache的一个变体，其响应结果均为CompletableFuture，通过这种方式，AsyncCache对异步编程模式进行了适配。默认情况下，缓存计算使用ForkJoinPool.commonPool()作为线程池，如果想要指定线程池，则可以覆盖并实现Caffeine.executor(Executor)方法。synchronous()提供了阻塞直到异步缓存生成完毕的能力，它将以Cache进行返回。

在多线程情况下，当两个线程同时调用get(key, k -> value)，则会返回同一个CompletableFuture对象。由于返回结果本身不进行阻塞，可以根据业务设计自行选择阻塞等待或者非阻塞。

AsyncLoadingCache<String,String> asyncLoadingCache =Caffeine.newBuilder()
//创建缓存或者最近一次更新缓存后经过指定时间间隔刷新缓存；仅支持LoadingCache
.refreshAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterAccess(1,TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(10)
//根据key查询数据库里面的值
.buildAsync(key ->{
Thread.sleep(1000);
returnnewDate().toString();
});

//异步缓存返回的是CompletableFuture
CompletableFuture<String> future = asyncLoadingCache.get("1");
future.thenAccept(System.out::println);

2、驱逐策略

驱逐策略在创建缓存的时候进行指定。常用的有基于容量的驱逐和基于时间的驱逐。

基于容量的驱逐需要指定缓存容量的最大值，当缓存容量达到最大时，Caffeine将使用LRU策略对缓存进行淘汰；基于时间的驱逐策略如字面意思，可以设置在最后访问/写入一个缓存经过指定时间后，自动进行淘汰。

驱逐策略可以组合使用，任意驱逐策略生效后，该缓存条目即被驱逐。

  • • LRU 最近最少使用，淘汰最长时间没有被使用的页面。

  • • LFU 最不经常使用，淘汰一段时间内使用次数最少的页面

  • • FIFO 先进先出

Caffeine有4种缓存淘汰设置

  • • 大小 （LFU算法进行淘汰）

  • • 权重 （大小与权重 只能二选一）

  • • 时间

  • • 引用 （不常用，本文不介绍）

@Slf4j
publicclassCacheTest{
/**
     * 缓存大小淘汰
     */
@Test
publicvoidmaximumSizeTest()throwsInterruptedException{
Cache<Integer,Integer> cache =Caffeine.newBuilder()
//超过10个后会使用W-TinyLFU算法进行淘汰
.maximumSize(10)
.evictionListener((key, val, removalCause)->{
                    log.info("淘汰缓存：key:{} val:{}", key, val);
})
.build();

for(inti=1; i <20; i++){
            cache.put(i, i);
}
Thread.sleep(500);//缓存淘汰是异步的

// 打印还没被淘汰的缓存
System.out.println(cache.asMap());
}

/**
     * 权重淘汰
     */
@Test
publicvoidmaximumWeightTest()throwsInterruptedException{
Cache<Integer,Integer> cache =Caffeine.newBuilder()
//限制总权重，若所有缓存的权重加起来>总权重就会淘汰权重小的缓存
.maximumWeight(100)
.weigher((Weigher<Integer,Integer>)(key, value)-> key)
.evictionListener((key, val, removalCause)->{
                    log.info("淘汰缓存：key:{} val:{}", key, val);
})
.build();

//总权重其实是=所有缓存的权重加起来
intmaximumWeight=0;
for(inti=1; i <20; i++){
            cache.put(i, i);
            maximumWeight += i;
}
System.out.println("总权重="+ maximumWeight);
Thread.sleep(500);//缓存淘汰是异步的

// 打印还没被淘汰的缓存
System.out.println(cache.asMap());
}


/**
     * 访问后到期（每次访问都会重置时间，也就是说如果一直被访问就不会被淘汰）
     */
@Test
publicvoidexpireAfterAccessTest()throwsInterruptedException{
Cache<Integer,Integer> cache =Caffeine.newBuilder()
.expireAfterAccess(1,TimeUnit.SECONDS)
//可以指定调度程序来及时删除过期缓存项，而不是等待Caffeine触发定期维护
//若不设置scheduler，则缓存会在下一次调用get的时候才会被动删除
.scheduler(Scheduler.systemScheduler())
.evictionListener((key, val, removalCause)->{
                    log.info("淘汰缓存：key:{} val:{}", key, val);

})
.build();
        cache.put(1,2);
System.out.println(cache.getIfPresent(1));
Thread.sleep(3000);
System.out.println(cache.getIfPresent(1));//null
}

/**
     * 写入后到期
     */
@Test
publicvoidexpireAfterWriteTest()throwsInterruptedException{
Cache<Integer,Integer> cache =Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
//可以指定调度程序来及时删除过期缓存项，而不是等待Caffeine触发定期维护
//若不设置scheduler，则缓存会在下一次调用get的时候才会被动删除
.scheduler(Scheduler.systemScheduler())
.evictionListener((key, val, removalCause)->{
                    log.info("淘汰缓存：key:{} val:{}", key, val);
})
.build();
        cache.put(1,2);
Thread.sleep(3000);
System.out.println(cache.getIfPresent(1));//null
}
}

3、刷新机制

refreshAfterWrite()表示x秒后自动刷新缓存的策略可以配合淘汰策略使用，注意的是刷新机制只支持LoadingCache和AsyncLoadingCache

private staticintNUM=0;

@Test
publicvoidrefreshAfterWriteTest()throwsInterruptedException{
LoadingCache<Integer,Integer> cache =Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
//模拟获取数据，每次获取就自增1
.build(integer ->++NUM);

//获取ID=1的值，由于缓存里还没有，所以会自动放入缓存
System.out.println(cache.get(1));// 1

// 延迟2秒后，理论上自动刷新缓存后取到的值是2
// 但其实不是，值还是1，因为refreshAfterWrite并不是设置了n秒后重新获取就会自动刷新
// 而是x秒后&&第二次调用getIfPresent的时候才会被动刷新
Thread.sleep(2000);
System.out.println(cache.getIfPresent(1));// 1

//此时才会刷新缓存，而第一次拿到的还是旧值
System.out.println(cache.getIfPresent(1));// 2
}

4、统计

LoadingCache<String,String> cache =Caffeine.newBuilder()
//创建缓存或者最近一次更新缓存后经过指定时间间隔，刷新缓存；refreshAfterWrite仅支持LoadingCache
.refreshAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterWrite(1,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterAccess(1,TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(10)
//开启记录缓存命中率等信息
.recordStats()
//根据key查询数据库里面的值
.build(key ->{
Thread.sleep(1000);
returnnewDate().toString();
});


cache.put("1","shawn");
cache.get("1");

/*
 * hitCount :命中的次数
 * missCount:未命中次数
 * requestCount:请求次数
 * hitRate:命中率
 * missRate:丢失率
 * loadSuccessCount:成功加载新值的次数
 * loadExceptionCount:失败加载新值的次数
 * totalLoadCount:总条数
 * loadExceptionRate:失败加载新值的比率
 * totalLoadTime:全部加载时间
 * evictionCount:丢失的条数
 */
System.out.println(cache.stats());

5、总结

上述一些策略在创建时都可以进行自由组合，一般情况下有两种方法

  • • 设置maxSize、refreshAfterWrite，不设置expireAfterWrite/expireAfterAccess，设置expireAfterWrite当缓存过期时会同步加锁获取缓存，所以设置expireAfterWrite时性能较好，但是某些时候会取旧数据,适合允许取到旧数据的场景

  • • 设置maxSize、expireAfterWrite/expireAfterAccess，不设置 refreshAfterWrite 数据一致性好，不会获取到旧数据，但是性能没那么好（对比起来），适合获取数据时不耗时的场景

三、SpringBoot整合Caffeine

1、@Cacheable相关注解

1.1 相关依赖

如果要使用@Cacheable注解，需要引入相关依赖，并在任一配置类文件上添加@EnableCaching注解

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>

1.2 常用注解

  • • @Cacheable：表示该方法支持缓存。当调用被注解的方法时，如果对应的键已经存在缓存，则不再执行方法体，而从缓存中直接返回。当方法返回null时，将不进行缓存操作。

  • • @CachePut：表示执行该方法后，其值将作为最新结果更新到缓存中，每次都会执行该方法。

  • • @CacheEvict：表示执行该方法后，将触发缓存清除操作。

  • • @Caching：用于组合前三个注解，例如：

@Caching(cacheable = @Cacheable("CacheConstants.GET_USER"),
         evict = {@CacheEvict("CacheConstants.GET_DYNAMIC",allEntries = true)}
public User find(Integer id) {
    return null;
}

1.3 常用注解属性

  • • cacheNames/value：缓存组件的名字，即cacheManager中缓存的名称。

  • • key：缓存数据时使用的key。默认使用方法参数值，也可以使用SpEL表达式进行编写。

  • • keyGenerator：和key二选一使用。

  • • cacheManager：指定使用的缓存管理器。

  • • condition：在方法执行开始前检查，在符合condition的情况下，进行缓存

  • • unless：在方法执行完成后检查，在符合unless的情况下，不进行缓存

  • • sync：是否使用同步模式。若使用同步模式，在多个线程同时对一个key进行load时，其他线程将被阻塞。

1.4 缓存同步模式

sync开启或关闭，在Cache和LoadingCache中的表现是不一致的：

  • • Cache中，sync表示是否需要所有线程同步等待

  • • LoadingCache中，sync表示在读取不存在/已驱逐的key时，是否执行被注解方法

2、实战

2.1 引入依赖

<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>

2.2 缓存常量CacheConstants

创建缓存常量类，把公共的常量提取一层，复用，这里也可以通过配置文件加载这些数据，例如@ConfigurationProperties和@Value

public classCacheConstants{
/**
     * 默认过期时间（配置类中我使用的时间单位是秒，所以这里如 3*60 为3分钟）
     */
publicstaticfinalintDEFAULT_EXPIRES=3*60;
publicstaticfinalintEXPIRES_5_MIN=5*60;
publicstaticfinalintEXPIRES_10_MIN=10*60;

publicstaticfinalStringGET_USER="GET:USER";
publicstaticfinalStringGET_DYNAMIC="GET:DYNAMIC";

}

2.3 缓存配置类CacheConfig

@Configuration
@EnableCaching
publicclassCacheConfig{
/**
     * Caffeine配置说明：
     * initialCapacity=[integer]: 初始的缓存空间大小
     * maximumSize=[long]: 缓存的最大条数
     * maximumWeight=[long]: 缓存的最大权重
     * expireAfterAccess=[duration]: 最后一次写入或访问后经过固定时间过期
     * expireAfterWrite=[duration]: 最后一次写入后经过固定时间过期
     * refreshAfterWrite=[duration]: 创建缓存或者最近一次更新缓存后经过固定的时间间隔，刷新缓存
     * weakKeys: 打开key的弱引用
     * weakValues：打开value的弱引用
     * softValues：打开value的软引用
     * recordStats：开发统计功能
     * 注意：
     * expireAfterWrite和expireAfterAccess同事存在时，以expireAfterWrite为准。
     * maximumSize和maximumWeight不可以同时使用
     * weakValues和softValues不可以同时使用
     */
@Bean
publicCacheManagercacheManager(){
SimpleCacheManagercacheManager=newSimpleCacheManager();
List<CaffeineCache> list =newArrayList<>();
//循环添加枚举类中自定义的缓存，可以自定义
for(CacheEnum cacheEnum :CacheEnum.values()){
            list.add(newCaffeineCache(cacheEnum.getName(),
Caffeine.newBuilder()
.initialCapacity(50)
.maximumSize(1000)
.expireAfterAccess(cacheEnum.getExpires(),TimeUnit.SECONDS)
.build()));
}
        cacheManager.setCaches(list);
return cacheManager;
}
}

2.4 调用缓存

这里要注意的是Cache和@Transactional一样也使用了代理，类内调用将失效

/**
 * value：缓存key的前缀。
 * key：缓存key的后缀。
 * sync：设置如果缓存过期是不是只放一个请求去请求数据库，其他请求阻塞，默认是false（根据个人需求）。
 * unless：不缓存空值,这里不使用，会报错
 * 查询用户信息类
 * 如果需要加自定义字符串，需要用单引号
 * 如果查询为null，也会被缓存
 */
@Cacheable(value = CacheConstants.GET_USER,key = "'user'+#userId",sync = true)
@CacheEvict
public UserEntity getUserByUserId(Integer userId){
    UserEntity userEntity = userMapper.findById(userId);
    System.out.println("查询了数据库");
    return userEntity;
}

来源：juejin.cn/post/7265516154848280610

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原文始发于微信公众号（Java面试题精选）：Java 本地缓存之王Caffeine

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文章由极客之音整理，本文链接：https://www.bmabk.com/index.php/post/292942.html

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