Caffeine本地缓存详解
一. 概述
Caffeine是一种高性能的缓存库，是基于Java 8的最佳（最优）缓存框架。
基于Google的Guava Cache，Caffeine提供一个性能卓越的本地缓存(local cache) 实现, 也是SpringBoot内置的本地缓存实现。(Caffeine性能是Guava Cache的6倍)
Caffeine提供了灵活的结构来创建缓存，并且有以下特性：
- 自动加载条目到缓存中，可选异步方式
- 可以基于大小剔除
- 可以设置过期时间，时间可以从上次访问或上次写入开始计算
- 异步刷新
- keys自动包装在弱引用中
- values自动包装在弱引用或软引用中
- 条目剔除通知
- 缓存访问统计
二. 数据加载
Caffeine提供以下四种类型的加载策略：
1. Manual手动
public static void demo(){
Cache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(20, TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(5000)
.build();
// 1.Insert or update an entry
cache.put("hello","world");
// 2. Lookup an entry, or null if not found
String val1 = cache.getIfPresent("hello");
// 3. Lookup and compute an entry if absent, or null if not computable
cache.get("msg", k -> createExpensiveGraph(k));
// 4. Remove an entry
cache.invalidate("hello");
}
private static String createExpensiveGraph(String key){
System.out.println("begin to query db..."+Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("success to query db...");
return UUID.randomUUID().toString();
}
Cache接口可以显式地控制检索、更新和删除Entry
2. Loading自动
private static void demo() {
LoadingCache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(5, TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(500)
.build(new CacheLoader<String, String>() {
@Override
public String load(String key) throws Exception {
return createExpensiveGraph(key);
}
@Override
public Map<String, String> loadAll(Iterable<? extends String> keys) {
System.out.println("build keys");
Map<String,String> map = new HashMap<>();
for(String k : keys){
map.put(k,k+"-val");
}
return map;
}
});
String val1 = cache.get("hello");
Map<String,String> values = cache.getAll(Lists.newArrayList("key1", "key2"));
}
private static String createExpensiveGraph(String key){
System.out.println("begin to query db..."+Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("success to query db...");
return UUID.randomUUID().toString();
}
LoadingCache通过关联一个CacheLoader来构建Cache, 当缓存未命中会调用CacheLoader的load方法生成V
还可以通过LoadingCache的getAll方法批量查询, 当CacheLoader未实现loadAll方法时, 会批量调用load方法聚合会返回.
当CacheLoader实现loadAll方法时, 则直接调用loadAll返回.
public interface CacheLoader<K, V>{
V load(@NonNull K var1) throws Exception;
Map<K, V> loadAll(@NonNull Iterable<? extends K> keys);
}
3. Asynchronous Manual异步手动
private static void demo() throws ExecutionException, InterruptedException {
AsyncCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.buildAsync();
// Lookup and asynchronously compute an entry if absent
CompletableFuture<String> future = cache.get("hello", k -> createExpensiveGraph(k));
System.out.println(future.get());
}
private static String createExpensiveGraph(String key){
System.out.println("begin to query db..."+Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("success to query db...");
return UUID.randomUUID().toString();
}
AsyncCache是另一种Cache，它基于Executor计算Entry，并返回一个CompletableFuture
和Cache的区别是, AsyncCache计算Entry的线程是ForkJoinPool线程池. 手动Cache缓存是调用线程进行计算
4. Asynchronously Loading异步自动
public static void demo() throws ExecutionException, InterruptedException {
AsyncLoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(500)
.buildAsync(k -> createExpensiveGraph(k));
CompletableFuture<String> future = cache.get("hello");
System.out.println(future.get());
}
private static String createExpensiveGraph(String key){
System.out.println("begin to query db..."+Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("success to query db...");
return UUID.randomUUID().toString();
}
AsyncLoadingCache 是关联了 AsyncCacheLoader 的 AsyncCache
三. 数据驱逐
Caffeine提供以下几种剔除方式：基于大小、基于权重、基于时间、基于引用
1. 基于容量
又包含两种, 基于size和基于weight权重
- 基于size
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.recordStats()
.build( k -> UUID.randomUUID().toString());
for (int i = 0; i < 600; i++) {
cache.get(String.valueOf(i));
if(i> 500){
CacheStats stats = cache.stats();
System.out.println("evictionCount:"+stats.evictionCount());
System.out.println("stats:"+stats.toString());
}
}
如果缓存的条目数量不应该超过某个值，那么可以使用Caffeine.maximumSize(long)。如果超过这个值，则会剔除很久没有被访问过或者不经常使用的那个条目。
上述测试并不是i=500时, 而是稍微延迟于i的增加, 说明驱逐是另外一个线程异步进行的
- 基于权重
LoadingCache<Integer,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumWeight(300)
.recordStats()
.weigher((Weigher<Integer, String>) (key, value) -> {
if(key % 2 == 0){
return 2;
}
return 1;
})
.build( k -> UUID.randomUUID().toString());
for (int i = 0; i < 300; i++) {
cache.get(i);
if(i> 200){
System.out.println(cache.stats().toString());
}
}
如果，不同的条目有不同的权重值的话(不同的实例占用空间大小不一样)，那么你可以用Caffeine.weigher(Weigher)来指定一个权重函数，并且使用Caffeine.maximumWeight(long)来设定最大的权重值。
上述测试并不是i=200时, 而是稍微延迟于i的增加, 说明驱逐是另外一个线程异步进行的
简单的来说，要么限制缓存条目的数量，要么限制缓存条目的权重值，二者取其一。
2. 基于时间
基于时间又分为四种: expireAfterAccess、expireAfterWrite、refreshAfterWrite、expireAfter
- expireAfterAccess
超时未访问则失效: 访问包括读和写
private static LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterAccess(1, TimeUnit.SECONDS)
.build(key -> UUID.randomUUID().toString());
特征:
- 访问包括读和写入
- 数据失效后不会主动重新加载, 必须依赖下一次访问. (言外之意: 失效和回源是两个动作)
- key超时失效或不存在，若多个线程并发访问, 只有1个线程回源数据，其他线程阻塞等待数据返回
- 对同一数据一直访问, 且间隔小于失效时间, 则不会去load数据, 一直读到的是脏数据
- expireAfterWrite
写后超时失效
private static LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
.build(key -> UUID.randomUUID().toString());
特征:
- 数据失效后不会主动重新加载, 必须依赖下一次访问. (言外之意: 失效和回源是两个动作)
- key超时失效或不存在，若多个线程并发访问, 只有1个线程回源数据，其他线程阻塞等待数据返回
- expire后来访问一定能保证拿到最新的数据
- refreshAfterWrite
private static LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
.build(key -> UUID.randomUUID().toString());
和expireAfterWrite类似基于写后超时驱逐, 区别是重新load的操作不一样.
特征:
- 数据失效后不会主动重新加载, 必须依赖下一次访问. (言外之意: 失效和回源是两个动作)
- 当cache命中未命中时, 若多个线程并发访问时, 只有1个线程回源数据，其他线程阻塞等待数据返回
- 当cache命中失效数据时, 若多个线程并发访问时, 第一个访问的线程提交一个load数据的任务到公共线程池，然后和所有其他访问线程一样直接返回旧值
实际通过LoadingCache.refresh(K)进行异步刷新, 如果想覆盖默认的刷新行为, 可以实现CacheLoader.reload(K, V)方法
- expireAfter
比较少用
public static void demo(){
MyTicker ticker = new MyTicker();
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.ticker(ticker)
//此时的效果为expireAfterWrite(5,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfter(new Expiry<String, String>() {
//1.如果写入key时是第一次创建，则调用该方法返回key剩余的超时时间, 单位纳秒ns
//currentTime为当前put时Ticket的时间，单位ns
@Override
public long expireAfterCreate(String key,String value, long currentTime) {
System.out.println("write first currentTime:"+currentTime/1_000_000_000L);
return 5_000_000_000L;//5s
}
//2.如果写入key时已经存在即更新key时，则调用该方法返回key剩余的超时时间, 单位纳秒ns
//currentTime为当前put时Ticket的时间，单位ns，durationTime为旧值(上次设置)剩余的存活时间，单位是ns
@Override
public long expireAfterUpdate(String key,String value, long currentTime,long durationTime) {
System.out.println("update currentTime:"+currentTime/1_000_000_000L+",leftTime:"+durationTime/1_000_000_000L);
return 5_000_000_000L;//5s
}
//3.如果key被访问时,则调用该方法返回key剩余的超时时间, 单位纳秒ns
//currentTime为read时Ticket的时间，单位ns，durationTime为旧值(上次设置)剩余的存活时间，单位是ns
@Override
public long expireAfterRead(String key,String value, long currentTime,long durationTime) {
System.out.println("read currentTime:"+currentTime/1_000_000_000L+",leftTime:"+durationTime/1_000_000_000L);
return durationTime;
}
})
.build(k -> UUID.randomUUID().toString());
cache.get("key1");//触发expireAfterCreate
ticker.advance(1, TimeUnit.SECONDS);//模拟时间消逝
cache.get("key1");//触发expireAfterRead,剩余生存时间4s
ticker.advance(2, TimeUnit.SECONDS);//模拟时间消逝
cache.put("key1","value1");//触发expireAfterUpdate,重置生存时间为5s
ticker.advance(3, TimeUnit.SECONDS);//模拟时间消逝
cache.get("key1");//触发expireAfterCreate,剩余生存时间为2s
}
public class MyTicker implements Ticker {
private final AtomicLong nanos = new AtomicLong();
//模拟时间消逝
public void advance(long time, TimeUnit unit) {
this.nanos.getAndAdd(unit.toNanos(time));
}
@Override
public long read() {
return this.nanos.get();
}
}
上述实现了Expiry接口, 分别重写了expireAfterCreate、expireAfterUpdate、expireAfterRead方法, 当第一次写入时、更新时、读访问时会分别调用这三个方法有机会重新设置剩余的失效时间, 上述案例模拟了expireAfterWrite(5,TimeUnit.SECONDS)的效果.
注意点:
- 以上基于时间驱逐, 数据超时失效和回源是两个动作, 必须依赖下一次访问. 为了避免服务启动时大量缓存穿透, 可以通过提前项目启动时手动预热
- 一般expireAfterWrite和refreshAfterWrite结合使用, expire的时间t1大于refresh的时间t2, 在t2~t1内数据更新允许脏数据, t1之后必须要重新同步加载新数据
3. 基于弱/软引用
/**
* 允许GC时回收keys或values
*/
public static void demo(){
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.weakKeys()
.weakValues()
.build(k -> UUID.randomUUID().toString());
}
Caffeine.weakKeys() 使用弱引用存储key。如果没有强引用这个key，则GC时允许回收该条目
Caffeine.weakValues() 使用弱引用存储value。如果没有强引用这个value，则GC时允许回收该条目
Caffeine.softValues() 使用软引用存储value, 如果没有强引用这个value，则GC内存不足时允许回收该条目
public static void demo(){
/**
* 使用软引用存储value,GC内存不够时会回收
*/
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.softValues()//注意没有softKeys方法
.build(k -> UUID.randomUUID().toString());
}
Java4种引用的级别由高到低依次为：强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用
| 引用类型 | 被垃圾回收时间 | 用途 | 生存时间 |
|---|---|---|---|
| 强引用 | 从来不会 | 对象的一般状态 | JVM停止运行时终止 |
| 软引用 | 在内存不足时 | 对象缓存 | 内存不足时终止 |
| 弱引用 | 在垃圾回收时 | 对象缓存 | gc运行后终止 |
| 虚引用 | Unknown | Unknown | Unknown |
四. 驱逐监听
- eviction 指受策略影响而被删除
- invalidation 值被调用者手动删除
- removal 值因eviction或invalidation而发生的一种行为
1. 手动触发删除
// individual key
cache.invalidate(key)
// bulk keys
cache.invalidateAll(keys)
// all keys
cache.invalidateAll()
2. 被驱逐的原因
- EXPLICIT：如果原因是这个，那么意味着数据被我们手动的remove掉了
- REPLACED：就是替换了，也就是put数据的时候旧的数据被覆盖导致的移除
- COLLECTED：这个有歧义点，其实就是收集，也就是垃圾回收导致的，一般是用弱引用或者软引用会导致这个情况
- EXPIRED：数据过期，无需解释的原因。
- SIZE：个数超过限制导致的移除
3. 监听器
public static void demo(){
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(5)
.recordStats()
.expireAfterWrite(2, TimeUnit.SECONDS)
.removalListener((String key, String value, RemovalCause cause) -> {
System.out.printf("Key %s was removed (%s)%n", key, cause);
})
.build(key -> UUID.randomUUID().toString());
for (int i = 0; i < 15; i++) {
cache.get(i+"");
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
//因为evict是异步线程去执行，为了看到效果稍微停顿一下
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
日志打印如下:
Key 0 was removed (SIZE)
Key 1 was removed (SIZE)
Key 6 was removed (SIZE)
Key 7 was removed (SIZE)
Key 8 was removed (SIZE)
Key 9 was removed (SIZE)
Key 10 was removed (SIZE)
Key 2 was removed (EXPIRED)
Key 3 was removed (EXPIRED)
Key 4 was removed (EXPIRED)
五. 统计
public static void demo(){
LoadingCache<Integer,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(10)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.recordStats()
.build(key -> {
if(key % 6 == 0 ){
return null;
}
return UUID.randomUUID().toString();
});
for (int i = 0; i < 20; i++) {
cache.get(i);
printStats(cache.stats());
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
cache.get(i);
printStats(cache.stats());
}
}
private static void printStats(CacheStats stats){
System.out.println("---------------------");
System.out.println("stats.hitCount():"+stats.hitCount());//命中次数
System.out.println("stats.hitRate():"+stats.hitRate());//缓存命中率
System.out.println("stats.missCount():"+stats.missCount());//未命中次数
System.out.println("stats.missRate():"+stats.missRate());//未命中率
System.out.println("stats.loadSuccessCount():"+stats.loadSuccessCount());//加载成功的次数
System.out.println("stats.loadFailureCount():"+stats.loadFailureCount());//加载失败的次数,返回null
System.out.println("stats.loadFailureRate():"+stats.loadFailureRate());//加载失败的百分比
System.out.println("stats.totalLoadTime():"+stats.totalLoadTime());//总加载时间,单位ns
System.out.println("stats.evictionCount():"+stats.evictionCount());//驱逐次数
System.out.println("stats.evictionWeight():"+stats.evictionWeight());//驱逐的weight值总和
System.out.println("stats.requestCount():"+stats.requestCount());//请求次数
System.out.println("stats.averageLoadPenalty():"+stats.averageLoadPenalty());//单次load平均耗时
}
六. 其他
1. Ticker
时钟, 方便测试模拟时间流逝
public static void demo(){
MyTicker ticker = new MyTicker();
LoadingCache<String,String> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(500)
.ticker(ticker)
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
.build(k -> UUID.randomUUID().toString());
cache.get("key1");//触发expireAfterCreate
ticker.advance(1, TimeUnit.SECONDS);//模拟时间消逝
cache.get("key1");//触发expireAfterRead,剩余生存时间4s
ticker.advance(2, TimeUnit.SECONDS);//模拟时间消逝
cache.put("key1","value1");//触发expireAfterUpdate,重置生存时间为5s
}
public class MyTicker implements Ticker {
private final AtomicLong nanos = new AtomicLong();
//模拟时间消逝
public void advance(long time, TimeUnit unit) {
this.nanos.getAndAdd(unit.toNanos(time));
}
@Override
public long read() {
return this.nanos.get();
}
}
2. Scheduler
略
3. 类图及API
略