Java中基于静态变量与单例模式对缓存的简单实现

目录

 

●What & Why

●静态变量实现缓存

●单例模式实现缓存

●小结

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●What & Why

缓存是什么？他有什么好处？相信不用说大家都知道。

目前笔者在做一个Java开发的Web项目，项目启动的时候需要将大量不变的平台数据放入缓存中，方便快速读取。一开始笔者很疑惑，Java是不能直接操作内存的，但是我们缓存却是要把数据放入内存中，那这是怎么实现的呢？抛开市面上已有的memcached、redis等缓存服务不说，我们来思考一下，如果不依赖与它们，自己手动去实现缓存，应该怎么做呢？

●静态变量实现缓存

首先，第一种方式，利用静态变量来实现缓存。

我们要理清头绪，缓存机制是利用内存的高速读写性。只要把数据放入内存， 并直接从内存中，而不是磁盘中（如文件、数据库）或者网络中（如Http请求、远程调用）读取，就称为缓存，这和Java是否能直接操作内存没有关系。因为我们都知道这样的尝试，程序一定是在内存中运行的，数据则来源于不同地方。我们要做的只是把待缓存数据固定在内存中，保证程序每次（或绝大多数）都是直接从内存读取即可。

而Java的静态变量天生就具备这样的特点。相信大家学习Java的时候都知道，static修饰的变量是线程共享的，他在内存中只有一份拷贝，位于方法区/静态区。可以通过类名直接访问，不用实例化对象。当然，就算你实例化了多个对象，该静态变量也不会随之拷贝增多，有且仅有一份。同时，还可以认为静态变量的生命周期同类的生命周期一样，可以贯穿整个程序的运行过程。大家最初对于静态变量的作用可能仅仅停留在用于数据共享，但是别忘了，静态变量之所以能共享数据，本质上是因为它在内存中的存在形式。

基于此，我们可以在项目启动的时候把数据保存在静态变量中，做缓存使用。以Web项目为例，我们在启动的时候，配置一个InitServlet，将数据库或文件中需要缓存的数据解析出来并放在静态变量中。后续使用的时候，不再去进行磁盘IO。

首先，需要在web.xml中配置InitServlet。load-on-startup的值不小于0时，代表这个Servlet在Web容器（如Tomcat）启动的时候将会自动加载执行。

	InitServlet
	com.xxx.InitServlet
	1

接下来，看看InitServlet中相关的代码是如何实现的。功能很简单，从数据库中读取所有应用（App）的信息，并把它们的Url存入缓存。用户在使用这些应用的时候，肯定要获取到Url的，为了避免频繁去数据库查询，放内存缓存是一个好的调优办法，可以提升用户体验。

public class InitServlet extends HttpServlet {

    public void init(ServletConfig servletConfig) throws ServletException {
        initAllAppUrlCache();
    }

    private void initAllAppUrlCache() {
        AppServiceable aservice = AppContext.getBean("appService");
        List apps = aservice.findAllApps();
        for(App a : apps){
            if(StringUtils.isNotBlank(a.getUrl())){
                AllAppUrlCache.add(a.getUrl());
            }
        }
    }
}

AllAppUrlCache是我们定义的一个缓存类，它的成员变量用来缓存数据，相关函数用来操作数据。我们采用HashSet静态变量保存数据。

public class AllAppUrlCache {
	private static Set ALL_URL_CACHE = new HashSet();
	public static void add(String url) {
		ALL_URL_CACHE.add(url);
	}
	
	public static void addAll(Collection url) {
		ALL_URL_CACHE.addAll(url);
	}
	
	public static boolean isContainUrl(String url){
		return ALL_URL_CACHE.contains(url);
	}
	
	public static Set getAll(){
		return ALL_URL_CACHE;
	}
	
}

以上，就是利用静态变量实现了简单的缓存机制，这在项目中具有普适性。同样的，你也可以通过xml配置文件读取待缓存的数据。总之，利用项目启动时（正式投入使用前）就将高频数据准备好，这就是一个简单且高效的缓存实现。

●单例模式实现缓存

接下来，我们看看第二种实现方式，利用单例模式。

我们来改写一下这个InitServlet。此时的缓存类我们采用getInstance()来获取它的实例。

public class InitServlet extends HttpServlet {

    public void init(ServletConfig servletConfig) throws ServletException {
        initAllAppUrlCache();
    }

    private void initAllAppUrlCache() {
        AppServiceable aservice = AppContext.getBean("appService");
        List apps = aservice.findAllApps();
        for(App a : apps){
            if(StringUtils.isNotBlank(a.getUrl())){
                AllAppUrlCache.getInstance().add(a.getUrl());
            }
        }
    }
}

改写一下AllAppUrlCache的实现方式。采用单例模式的时候有很小的概率在第一次生成对象时会生成多个，这是因为并发导致的，因此考虑加上synchronized进行修饰，确保程序中对象单例。

public class AllAppUrlCache {
    private Set all_url_cache;
    private static volatile AllAppUrlCache allAppUrlCache;
	
    //私有的构造方法，不能直接调用new
    private AllAppUrlCache(){
		all_url_cache = new HashSet<>();
	}
   
    //获取单例对象的正确打开方式
    public static final InMemCache getInstance(){
		if(allAppUrlCache != null){
			return allAppUrlCache;
		}
		synchronized (AllAppUrlCache.class) {
			allAppUrlCache = new AllAppUrlCache();
			return allAppUrlCache;
		}
	}

    //对数据的操作
    public void add(String val){
		if(val == null){
			throw new IllegalArgumentException("val is empty");
		}
        else
            all_url_cache.add(val);
	}

    public Set getAll(){
		return all_url_cache;
	}
}

采用单例模式之所以也可以作为缓存，是因为单例模式本身的特性就是全局对象唯一，数据共享，满足缓存的条件之一。同时，在第一次进行写操作的时候产生了该对象，生命周期贯穿程序始终，满足缓存的另一条件。

相比静态变量，采用单例模式的好处在于它能约束类的实例是唯一的，避免内存的额外分配。例如在第一种实现方式中，如果程序员采用new的方式去创建AllAppUrlCache类，确实缓存数据是共享的，一致的，但是浪费了资源。为了避免多人协同开发，认为失误，采用单例模式，直接从源头上就抑制了new的使用。

●小结

缓存其实没有那么高深，简单的静态变量或者单例模式就可以实现，根据实际需要，不一定非要采用memcached或者redis等第三方的缓存，额外增加学习成本和维护成本（当然，作为程序员，这两个还是建议只收会使用的），自己动手就可以写出轻量的代码。通常，我们会在程序启动的时候从数据库读取系统字典，或从xml配置文件读取相关配置项，而不是直接在代码中写出静态变量具体值是什么。今天，你学会了吗？