Caffeine Cache-高性能Java本地缓存之王(基于LRU算法的优化策略)

1 Caffeine、ConcurrentMap、GuavaCache、ehcache等做了详细的压测对比

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2 Caffeine Cache-高性能Java本地缓存

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前面刚说到Guava Cache，他的优点是封装了get，put操作；提供线程安全的缓存操作；提供过期策略；提供回收策略；缓存监控。当缓存的数据超过最大值时，使用LRU算法替换。这一篇我们将要谈到一个新的本地缓存框架：Caffeine Cache。它也是站在巨人的肩膀上-Guava Cache，借着他的思想优化了算法发展而来。

本篇博文主要介绍Caffine Cache 的使用方式，以及Caffine Cache在SpringBoot中的使用。

1. Caffine Cache 在算法上的优点-W-TinyLFU#

说到优化，Caffine Cache到底优化了什么呢？我们刚提到过LRU，常见的缓存淘汰算法还有FIFO，LFU：

1. FIFO：先进先出，在这种淘汰算法中，先进入缓存的会先被淘汰，会导致命中率很低。
2. LRU：最近最少使用算法，每次访问数据都会将其放在我们的队尾，如果需要淘汰数据，就只需要淘汰队首即可。仍然有个问题，如果有个数据在 1 分钟访问了 1000次，再后 1 分钟没有访问这个数据，但是有其他的数据访问，就导致了我们这个热点数据被淘汰。
3. LFU：最近最少频率使用，利用额外的空间记录每个数据的使用频率，然后选出频率最低进行淘汰。这样就避免了 LRU 不能处理时间段的问题。

上面三种策略各有利弊，实现的成本也是一个比一个高，同时命中率也是一个比一个好。Guava Cache虽然有这么多的功能，但是本质上还是对LRU的封装，如果有更优良的算法，并且也能提供这么多功能，相比之下就相形见绌了。

LFU的局限性：在 LFU 中只要数据访问模式的概率分布随时间保持不变时，其命中率就能变得非常高。比如有部新剧出来了，我们使用 LFU 给他缓存下来，这部新剧在这几天大概访问了几亿次，这个访问频率也在我们的 LFU 中记录了几亿次。但是新剧总会过气的，比如一个月之后这个新剧的前几集其实已经过气了，但是他的访问量的确是太高了，其他的电视剧根本无法淘汰这个新剧，所以在这种模式下是有局限性。

LRU的优点和局限性：LRU可以很好的应对突发流量的情况，因为他不需要累计数据频率。但LRU通过历史数据来预测未来是局限的，它会认为最后到来的数据是最可能被再次访问的，从而给与它最高的优先级。

在现有算法的局限性下，会导致缓存数据的命中率或多或少的受损，而命中略又是缓存的重要指标。HighScalability网站刊登了一篇文章，由前Google工程师发明的W-TinyLFU——一种现代的缓存 。Caffine Cache就是基于此算法而研发。Caffeine 因使用 Window TinyLfu 回收策略，提供了一个近乎最佳的命中率。

当数据的访问模式不随时间变化的时候，LFU的策略能够带来最佳的缓存命中率。然而LFU有两个缺点：

首先，它需要给每个记录项维护频率信息，每次访问都需要更新，这是个巨大的开销；

其次，如果数据访问模式随时间有变，LFU的频率信息无法随之变化，因此早先频繁访问的记录可能会占据缓存，而后期访问较多的记录则无法被命中。

因此，大多数的缓存设计都是基于LRU或者其变种来进行的。相比之下，LRU并不需要维护昂贵的缓存记录元信息，同时也能够反应随时间变化的数据访问模式。然而，在许多负载之下，LRU依然需要更多的空间才能做到跟LFU一致的缓存命中率。因此，一个“现代”的缓存，应当能够综合两者的长处。

TinyLFU维护了近期访问记录的频率信息，作为一个过滤器，当新记录来时，只有满足TinyLFU要求的记录才可以被插入缓存。如前所述，作为现代的缓存，它需要解决两个挑战：

一个是如何避免维护频率信息的高开销；

另一个是如何反应随时间变化的访问模式。

首先来看前者，TinyLFU借助了数据流Sketching技术，Count-Min Sketch显然是解决这个问题的有效手段，它可以用小得多的空间存放频率信息，而保证很低的False Positive Rate。但考虑到第二个问题，就要复杂许多了，因为我们知道，任何Sketching数据结构如果要反应时间变化都是一件困难的事情，在Bloom Filter方面，我们可以有Timing Bloom Filter，但对于CMSketch来说，如何做到Timing CMSketch就不那么容易了。TinyLFU采用了一种基于滑动窗口的时间衰减设计机制，借助于一种简易的reset操作：每次添加一条记录到Sketch的时候，都会给一个计数器上加1，当计数器达到一个尺寸W的时候，把所有记录的Sketch数值都除以2，该reset操作可以起到衰减的作用 。

W-TinyLFU主要用来解决一些稀疏的突发访问元素。在一些数目很少但突发访问量很大的场景下，TinyLFU将无法保存这类元素，因为它们无法在给定时间内积累到足够高的频率。因此W-TinyLFU就是结合LFU和LRU，前者用来应对大多数场景，而LRU用来处理突发流量。

在处理频率记录的方案中，你可能会想到用hashMap去存储，每一个key对应一个频率值。那如果数据量特别大的时候，是不是这个hashMap也会特别大呢。由此可以联想到 Bloom Filter，对于每个key，用n个byte每个存储一个标志用来判断key是否在集合中。原理就是使用k个hash函数来将key散列成一个整数。

在W-TinyLFU中使用Count-Min Sketch记录我们的访问频率，而这个也是布隆过滤器的一种变种。如下图所示:

如果需要记录一个值，那我们需要通过多种Hash算法对其进行处理hash，然后在对应的hash算法的记录中+1，为什么需要多种hash算法呢？由于这是一个压缩算法必定会出现冲突，比如我们建立一个byte的数组，通过计算出每个数据的hash的位置。比如张三和李四，他们两有可能hash值都是相同，比如都是1那byte[1]这个位置就会增加相应的频率，张三访问1万次，李四访问1次那byte[1]这个位置就是1万零1，如果取李四的访问评率的时候就会取出是1万零1，但是李四命名只访问了1次啊，为了解决这个问题，所以用了多个hash算法可以理解为long[][]二维数组的一个概念，比如在第一个算法张三和李四冲突了，但是在第二个，第三个中很大的概率不冲突，比如一个算法大概有1%的概率冲突，那四个算法一起冲突的概率是1%的四次方。通过这个模式我们取李四的访问率的时候取所有算法中，李四访问最低频率的次数。所以他的名字叫Count-Min Sketch。

2. 使用#

Caffeine Cache 的github地址：点我。

目前的最新版本是：

    com.github.ben-manes.caffeine
    caffeine
    2.6.2

2.1 缓存填充策略#

Caffeine Cache提供了三种缓存填充策略：手动、同步加载和异步加载。

1.手动加载

在每次get key的时候指定一个同步的函数，如果key不存在就调用这个函数生成一个值。

/**
     * 手动加载
     * @param key
     * @return
     */
public Object manulOperator(String key) {
    Cache cache = Caffeine.newBuilder()
        .expireAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
        .expireAfterAccess(1, TimeUnit.SECONDS)
        .maximumSize(10)
        .build();
    //如果一个key不存在，那么会进入指定的函数生成value
    Object value = cache.get(key, t -> setValue(key).apply(key));
    cache.put("hello",value);

    //判断是否存在如果不存返回null
    Object ifPresent = cache.getIfPresent(key);
    //移除一个key
    cache.invalidate(key);
    return value;
}

public Function setValue(String key){
    return t -> key + "value";
}

2. 同步加载

构造Cache时候，build方法传入一个CacheLoader实现类。实现load方法，通过key加载value。

/**
     * 同步加载
     * @param key
     * @return
     */
public Object syncOperator(String key){
    LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(100)
        .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
        .build(k -> setValue(key).apply(key));
    return cache.get(key);
}

public Function setValue(String key){
    return t -> key + "value";
}

3. 异步加载

AsyncLoadingCache是继承自LoadingCache类的，异步加载使用Executor去调用方法并返回一个CompletableFuture。异步加载缓存使用了响应式编程模型。

如果要以同步方式调用时，应提供CacheLoader。要以异步表示时，应该提供一个AsyncCacheLoader，并返回一个CompletableFuture。

	/**
     * 异步加载
     *
     * @param key
     * @return
     */
public Object asyncOperator(String key){
    AsyncLoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(100)
        .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
        .buildAsync(k -> setAsyncValue(key).get());

    return cache.get(key);
}

public CompletableFuture