Java本地缓存器Caffeine
com.github.ben-manes.caffeine
caffeine
2.9.3
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。
二、Caffeine基础
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 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 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 -> new Date().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 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);
return new Date().toString();
});
//异步缓存返回的是CompletableFuture
CompletableFuture 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
public class CacheTest {
/**
* 缓存大小淘汰:只在缓存中保留10个数据
*/
@Test
public void maximumSizeTest() throws InterruptedException {
Cache 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 (int i = 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:如下,list 集合的数量权重,只会留下数据最小的list集合在缓存中
list数量大于10的直接淘汰
*/
@Test
public void maximumWeightTest() throws InterruptedException {
Cache> 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(10)//设置最大权重
.weigher(new Weigher>() {
@Override
public @NonNegative int weigh(@NonNull Integer integer, @NonNull List integer2) {
return integer2.size();//返回val大于10的被淘汰
}
})
.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
int maximumWeight = 0;
for (int i = 1; i < 20; i++) {
List list=new ArrayList<>();
for (int j = 0; j 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
/*
可以做缓存数据自加功能
*/
@Test
public void refreshAfterWriteTest() throws InterruptedException {
AtomicInteger NUM = new AtomicInteger(0);//定义int=0
LoadingCache cache = Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
//模拟获取数据，每次获取就自增1
.build(integer ->{
return NUM.getAndIncrement();//加1
});
//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
System.err.println("num:"+NUM.get());
}
4、统计
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
/*
统计缓存中各个值的数量
*/
LoadingCache 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);
return new Date().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
org.springframework.boot
spring-boot-starter-cache
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
org.springframework.boot
spring-boot-starter-cache
com.github.ben-manes.caffeine
caffeine
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 class CacheConstants {
/**
* 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）
*/
public static final int DEFAULT_EXPIRES = 3 * 60;
public static final int EXPIRES_5_MIN = 5 * 60;
public static final int EXPIRES_10_MIN = 10 * 60;
public static final String GET_USER = "GET:USER";
public static final String GET_DYNAMIC = "GET:DYNAMIC";
}
2.3 缓存配置类CacheConfig
@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {
/**
* 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
public CacheManager cacheManager() {
SimpleCacheManager cacheManager = new SimpleCacheManager();
List list = new ArrayList<>();
//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(new CaffeineCache(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
/**
* 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;
}