高性能 Java 缓存库 — Caffeine
1、介绍
在本文中，我将介绍 Caffeine — 一个高性能的 Java 缓存库。
缓存和 Map 之间的一个根本区别在于缓存可以回收存储的 item。
回收策略为在指定时间删除哪些对象。此策略直接影响缓存的命中率 —— 缓存库的一个重要特性。
Caffeine 因使用了 Window TinyLfu 回收策略，提供了一个近乎最佳的命中率。
2、依赖
我们需要在 pom.xml 中添加 caffeine 依赖：
com.github.ben-manes.caffeine
caffeine
2.5.5
你可以在 Maven Central 上找到最新版本的 caffeine。
3、填充缓存
让我们来了解一下 Caffeine 的三种缓存填充策略：手动、同步加载和异步加载。
首先，我们为要缓存中存储的值类型写一个类：
class DataObject {
private final String data;
private static int objectCounter = 0;
// standard constructors/getters
public static DataObject get(String data) {
objectCounter++;
return new DataObject(data);
}
}
3.1、手动填充
在此策略中，我们手动将值放入缓存后再检索。
初始化缓存：
Cache cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.maximumSize(100)
.build();
现在，我们可以使用 getIfPresent 方法从缓存中获取值。如果缓存中不存指定的值，则方法将返回 null：
String key = "A";
DataObject dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNull(dataObject);
我们可以使用 put 方法手动填充缓存：
cache.put(key, dataObject);
dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNotNull(dataObject);
我们也可以使用 get 方法获取值，该方法将一个参数为 key 的 Function 作为参数传入。如果缓存中不存在该 key，则该函数将用于提供默认值，该值在计算后插入缓存中：
dataObject = cache
.get(key, k -> DataObject.get("Data for A"));
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for A", dataObject.getData());
get 方法可以以原子方式执行计算。这意味着你只进行一次计算 —— 即使有多个线程同时请求该值。这就是为什么使用 get 要优于 getIfPresent。
有时我们需要手动触发一些缓存的值失效：
cache.invalidate(key);
dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNull(dataObject);
3.2、同步加载
这种加载缓存的方式使用了与用于初始化值的 Function 的手动策略类似的 get 方法。让我们看看如何使用它。
首先，我们需要初始化缓存：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
现在我们可以使用 get 方法来检索值：
DataObject dataObject = cache.get(key);
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());
当然，也可以使用 getAll 方法获取一组值：
Map dataObjectMap
= cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"));
assertEquals(3, dataObjectMap.size());
从传给 build 方法的初始化函数检索值，这使得可以使用缓存作为访问值的主要门面（Facade）。
3.3、异步加载
此策略的作用与之前相同，但是以异步方式执行操作，并返回一个包含值的 CompletableFuture：
AsyncLoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.buildAsync(k -> DataObject.get("Data for " + k));
我们可以以相同的方式使用 get 和 getAll 方法，同时考虑到他们返回的是 CompletableFuture：
String key = "A";
cache.get(key).thenAccept(dataObject -> {
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());
});
cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"))
.thenAccept(dataObjectMap -> assertEquals(3, dataObjectMap.size()));
CompletableFuture 有许多有用的 API，你可以在此文中获取更多内容。
4、值回收
Caffeine 有三个值回收策略：基于大小，基于时间和基于引用。
4.1、基于大小回收
这种回收方式假定当缓存大小超过配置的大小限制时会发生回收。 获取大小有两种方法：缓存中计数对象，或获取权重。
让我们看看如何计算缓存中的对象。当缓存初始化时，其大小等于零：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(1)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
assertEquals(0, cache.estimatedSize());
当我们添加一个值时，大小明显增加：
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
我们可以将第二个值添加到缓存中，这将导致第一个值被删除：
cache.get("B");
cache.cleanUp();
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
值得一提的是，在获取缓存大小之前，我们调用了 cleanUp 方法。这是因为缓存回收被异步执行，这种方式有助于等待回收工作完成。
我们还可以传递一个 weigher Function 来获取缓存的大小：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumWeight(10)
.weigher((k,v) -> 5)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
assertEquals(0, cache.estimatedSize());
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
cache.get("B");
assertEquals(2, cache.estimatedSize());
当 weight 超过 10 时，值将从缓存中删除：
cache.get("C");
cache.cleanUp();
assertEquals(2, cache.estimatedSize());
4.2、基于时间回收
这种回收策略是基于条目的到期时间，有三种类型：
- 访问后到期 — 从上次读或写发生后，条目即过期。
- 写入后到期 — 从上次写入发生之后，条目即过期
- 自定义策略 — 到期时间由 Expiry 实现独自计算
让我们使用 expireAfterAccess 方法配置访问后过期策略：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
要配置写入后到期策略，我们使用 expireAfterWrite 方法：
cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.weakKeys()
.weakValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
要初始化自定义策略，我们需要实现 Expiry 接口：
cache = Caffeine.newBuilder().expireAfter(new Expiry() {
@Override
public long expireAfterCreate(
String key, DataObject value, long currentTime) {
return value.getData().length() * 1000;
}
@Override
public long expireAfterUpdate(
String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
return currentDuration;
}
@Override
public long expireAfterRead(
String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
return currentDuration;
}
}).build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
4.3、基于引用回收
我们可以将缓存配置启用基于缓存键值的垃圾回收。为此，我们将 key 和 value 配置为 弱引用，并且可以仅配置软引用以进行垃圾回收。
当对象的没有任何强引用时，使用 WeakRefence 可以启用对象的垃圾收回收。SoftReference 允许对象根据 JVM 的全局最近最少使用（Least-Recently-Used）的策略进行垃圾回收。有关 Java 引用的更多详细信息，请参见此处。
我们应该使用 Caffeine.weakKeys()、Caffeine.weakValues() 和 Caffeine.softValues() 来启用每个选项：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.weakKeys()
.weakValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.softValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
5、刷新
可以将缓存配置为在指定时间段后自动刷新条目。让我们看看如何使用 refreshAfterWrite 方法：
Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
这里我们要明白 expireAfter 和 refreshAfter 之间的区别。当请求过期条目时，执行将发生阻塞，直到 build Function 计算出新值为止。
但是，如果条目可以刷新，则缓存将返回一个旧值，并异步重新加载该值。
6、统计
Caffeine 有记录缓存使用情况的统计方式：
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.recordStats()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
cache.get("A");
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.stats().hitCount());
assertEquals(1, cache.stats().missCount());
我们也可以传入 recordStats supplier，创建一个 StatsCounter 的实现。每次与统计相关的更改将推送此对象。
7、结论
在本文中，我们熟悉了 Java 的 Caffeine 缓存库，学习了如何配置和填充缓存，以及如何根据自己的需要选择适当的到期或刷新策略。
文中示例的源代码可以在 Github 上找到。
原文地址：https://www.jianshu.com/p/ba2ac225836d
参考文章：https://github.com/ben-manes/caffeine/wiki
https://www.cnblogs.com/cjsblog/p/11517761.html