多级缓存之实现多级缓存
多级缓存的实现离不开Nginx编程，而Nginx编程又离不开OpenResty。
1. OpenResty快速入门
我们希望达到的多级缓存架构如图：
其中：
-
windows上的nginx用来做反向代理服务，将前端的查询商品的ajax请求代理到OpenResty集群 -
OpenResty集群用来编写多级缓存业务
1.1. 反向代理流程
现在，商品详情页使用的是假的商品数据。不过在浏览器中，可以看到页面有发起ajax请求查询真实商品数据。
这个请求如下：
请求地址是localhost，端口是80，就被windows上安装的Nginx服务给接收到了。然后代理给了OpenResty集群：
我们需要在OpenResty中编写业务，查询商品数据并返回到浏览器。
但是这次，我们先在OpenResty接收请求，返回假的商品数据。
1.2. OpenResty监听请求
OpenResty的很多功能都依赖于其目录下的Lua库，需要在nginx.conf中指定依赖库的目录，并导入依赖：
1）添加对OpenResty的Lua模块的加载
修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在其中的http下面，添加下面代码：
#lua 模块
lua_package_path "/usr/local/openresty/lualib/?.lua;;";
#c模块
lua_package_cpath "/usr/local/openresty/lualib/?.so;;";
2）监听/api/item路径
修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在nginx.conf的server下面，添加对/api/item这个路径的监听：
location /api/item {
# 默认的响应类型
default_type application/json;
# 响应结果由lua/item.lua文件来决定
content_by_lua_file lua/item.lua;
}
这个监听，就类似于SpringMVC中的@GetMapping("/api/item")做路径映射。
而content_by_lua_file lua/item.lua则相当于调用item.lua这个文件，执行其中的业务，把结果返回给用户。相当于java中调用service。
1.3. 编写item.lua
1）在/usr/loca/openresty/nginx目录创建文件夹：lua
2）在/usr/loca/openresty/nginx/lua文件夹下，新建文件：item.lua
3）编写item.lua，返回假数据
item.lua中，利用ngx.say()函数返回数据到Response中
ngx.say('{"id":10001,"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')
4）重新加载配置
nginx -s reload
刷新商品页面：http://localhost/item.html?id=1001，即可看到效果：
2. 请求参数处理
我们在OpenResty接收前端请求，但是返回的是假数据。
要返回真实数据，必须根据前端传递来的商品id，查询商品信息才可以。
那么如何获取前端传递的商品参数呢？
2.1. 获取参数的API
OpenResty中提供了一些API用来获取不同类型的前端请求参数：
2.2. 获取参数并返回
在前端发起的ajax请求如图：
可以看到商品id是以路径占位符方式传递的，因此可以利用正则表达式匹配的方式来获取ID
1）获取商品id
修改/usr/loca/openresty/nginx/nginx.conf文件中监听/api/item的代码，利用正则表达式获取ID：
location ~ /api/item/(\d+) {
# 默认的响应类型
default_type application/json;
# 响应结果由lua/item.lua文件来决定
content_by_lua_file lua/item.lua;
}
2）拼接ID并返回
修改/usr/loca/openresty/nginx/lua/item.lua文件，获取id并拼接到结果中返回：
-- 获取商品id
local id = ngx.var[1]
-- 拼接并返回
ngx.say('{"id":' .. id .. ',"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')
3）重新加载并测试
运行命令以重新加载OpenResty配置：
nginx -s reload
刷新页面可以看到结果中已经带上了ID：
3. 查询Tomcat
拿到商品ID后，本应去缓存中查询商品信息，不过目前我们还未建立nginx、redis缓存。因此，这里我们先根据商品id去tomcat查询商品信息。我们实现如图部分：
需要注意的是，我们的OpenResty是在虚拟机，Tomcat是在Windows电脑上。两者IP一定不要搞错了。
3.1. 发送http请求的API
nginx提供了内部API用以发送http请求：
local resp = ngx.location.capture("/path",{
method = ngx.HTTP_GET, -- 请求方式
args = {a=1,b=2}, -- get方式传参数
})
返回的响应内容包括：
resp.status：响应状态码resp.header：响应头，是一个tableresp.body：响应体，就是响应数据
注意：这里的path是路径，并不包含IP和端口。这个请求会被nginx内部的server监听并处理。
但是我们希望这个请求发送到Tomcat服务器，所以还需要编写一个server来对这个路径做反向代理：
location /path {
# 这里是windows电脑的ip和Java服务端口，需要确保windows防火墙处于关闭状态
proxy_pass http://192.168.150.1:8081;
}
原理如图：
3.2. 封装http工具
下面，我们封装一个发送Http请求的工具，基于ngx.location.capture来实现查询tomcat。
1）添加反向代理，到windows的Java服务
因为item-service中的接口都是/item开头，所以我们监听/item路径，代理到windows上的tomcat服务。
修改 /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，添加一个location：
location /item {
proxy_pass http://192.168.150.1:8081;
}
以后，只要我们调用ngx.location.capture("/item")，就一定能发送请求到windows的tomcat服务。
2）封装工具类
之前我们说过，OpenResty启动时会加载以下两个目录中的工具文件：
所以，自定义的http工具也需要放到这个目录下。
在/usr/local/openresty/lualib目录下，新建一个common.lua文件：
vi /usr/local/openresty/lualib/common.lua
内容如下:
-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
local resp = ngx.location.capture(path,{
method = ngx.HTTP_GET,
args = params,
})
if not resp then
-- 记录错误信息，返回404
ngx.log(ngx.ERR, "http请求查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
ngx.exit(404)
end
return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {
read_http = read_http
}
return _M
这个工具将read_http函数封装到_M这个table类型的变量中，并且返回，这类似于导出。
使用的时候，可以利用require('common')来导入该函数库，这里的common是函数库的文件名。
3）实现商品查询
最后，我们修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，利用刚刚封装的函数库实现对tomcat的查询：
-- 引入自定义common工具模块，返回值是common中返回的 _M
local common = require("common")
-- 从 common中获取read_http这个函数
local read_http = common.read_http
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)
这里查询到的结果是json字符串，并且包含商品、库存两个json字符串，页面最终需要的是把两个json拼接为一个json：
这就需要我们先把JSON变为lua的table，完成数据整合后，再转为JSON。
3.3. CJSON工具类
OpenResty提供了一个cjson的模块用来处理JSON的序列化和反序列化。
官方地址： https://github.com/openresty/lua-cjson/
1）引入cjson模块：
local cjson = require "cjson"
2）序列化：
local obj = {
name = 'jack',
age = 21
}
-- 把 table 序列化为 json
local json = cjson.encode(obj)
3）反序列化：
local json = '{"name": "jack", "age": 21}'
-- 反序列化 json为 table
local obj = cjson.decode(json);
print(obj.name)
3.4. 实现Tomcat查询
下面，我们修改之前的item.lua中的业务，添加json处理功能：
-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)
-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)
-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold
-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))
3.5. 基于ID负载均衡
刚才的代码中，我们的tomcat是单机部署。而实际开发中，tomcat一定是集群模式：
因此，OpenResty需要对tomcat集群做负载均衡。
而默认的负载均衡规则是轮询模式，当我们查询/item/10001时：
- 第一次会访问8081端口的
tomcat服务，在该服务内部就形成了JVM进程缓存 - 第二次会访问8082端口的
tomcat服务，该服务内部没有JVM缓存（因为JVM缓存无法共享），会查询数据库 - …
你看，因为轮询的原因，第一次查询8081形成的JVM缓存并未生效，直到下一次再次访问到8081时才可以生效，缓存命中率太低了。
怎么办？
如果能让同一个商品，每次查询时都访问同一个tomcat服务，那么JVM缓存就一定能生效了。
也就是说，我们需要根据商品id做负载均衡，而不是轮询。
1）原理
nginx提供了基于请求路径做负载均衡的算法：
nginx根据请求路径做hash运算，把得到的数值对tomcat服务的数量取余，余数是几，就访问第几个服务，实现负载均衡。
例如：
- 我们的请求路径是
/item/10001 tomcat总数为2台（8081、8082）- 对请求路径
/item/1001做hash运算求余的结果为1 - 则访问第一个
tomcat服务，也就是8081
只要id不变，每次hash运算结果也不会变，那就可以保证同一个商品，一直访问同一个tomcat服务，确保JVM缓存生效。
2）实现
修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，实现基于ID做负载均衡。
首先，定义tomcat集群，并设置基于路径做负载均衡：
upstream tomcat-cluster {
hash $request_uri;
server 192.168.150.1:8081;
server 192.168.150.1:8082;
}
然后，修改对tomcat服务的反向代理，目标指向tomcat集群：
location /item {
proxy_pass http://tomcat-cluster;
}
重新加载OpenResty
nginx -s reload
3）测试
启动两台tomcat服务：
同时启动：
清空日志后，再次访问页面，可以看到不同id的商品，访问到了不同的tomcat服务：
4. Redis缓存预热
Redis缓存会面临冷启动问题：
冷启动：服务刚刚启动时，Redis中并没有缓存，如果所有商品数据都在第一次查询时添加缓存，可能会给数据库带来较大压力。
缓存预热：在实际开发中，我们可以利用大数据统计用户访问的热点数据，在项目启动时将这些热点数据提前查询并保存到Redis中。
我们数据量较少，并且没有数据统计相关功能，目前可以在启动时将所有数据都放入缓存中。
1）利用Docker安装Redis
docker run --name redis -p 6379:6379 -d redis redis-server --appendonly yes
2）在item-service服务中引入Redis依赖
<dependency>
<groupId>org.springframework.bootgroupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redisartifactId>
dependency>
3）配置Redis地址
spring:
redis:
host: 192.168.150.101
4）编写初始化类
缓存预热需要在项目启动时完成，并且必须是拿到RedisTemplate之后。
这里我们利用InitializingBean接口来实现，因为InitializingBean可以在对象被Spring创建并且成员变量全部注入后执行。
package com.dcxuexi.item.config;
import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import com.dcxuexi.item.pojo.Item;
import com.dcxuexi.item.pojo.ItemStock;
import com.dcxuexi.item.service.IItemService;
import com.dcxuexi.item.service.IItemStockService;
import org.springframework.beans.factory.InitializingBean;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.List;
@Component
public class RedisHandler implements InitializingBean {
@Autowired
private StringRedisTemplate redisTemplate;
@Autowired
private IItemService itemService;
@Autowired
private IItemStockService stockService;
private static final ObjectMapper MAPPER = new ObjectMapper();
@Override
public void afterPropertiesSet() throws Exception {
// 初始化缓存
// 1.查询商品信息
List<Item> itemList = itemService.list();
// 2.放入缓存
for (Item item : itemList) {
// 2.1.item序列化为JSON
String json = MAPPER.writeValueAsString(item);
// 2.2.存入redis
redisTemplate.opsForValue().set("item:id:" + item.getId(), json);
}
// 3.查询商品库存信息
List<ItemStock> stockList = stockService.list();
// 4.放入缓存
for (ItemStock stock : stockList) {
// 2.1.item序列化为JSON
String json = MAPPER.writeValueAsString(stock);
// 2.2.存入redis
redisTemplate.opsForValue().set("item:stock:id:" + stock.getId(), json);
}
}
}
5. 查询Redis缓存
现在，Redis缓存已经准备就绪，我们可以再OpenResty中实现查询Redis的逻辑了。如下图红框所示：
当请求进入OpenResty之后：
- 优先查询
Redis缓存 - 如果
Redis缓存未命中，再查询Tomcat
5.1. 封装Redis工具
OpenResty提供了操作Redis的模块，我们只要引入该模块就能直接使用。但是为了方便，我们将Redis操作封装到之前的common.lua工具库中。
修改/usr/local/openresty/lualib/common.lua文件：
1）引入Redis模块，并初始化Redis对象
-- 导入redis
local redis = require('resty.redis')
-- 初始化redis
local red = redis:new()
red:set_timeouts(1000, 1000, 1000)
2）封装函数，用来释放Redis连接，其实是放入连接池
-- 关闭redis连接的工具方法，其实是放入连接池
local function close_redis(red)
local pool_max_idle_time = 10000 -- 连接的空闲时间，单位是毫秒
local pool_size = 100 --连接池大小
local ok, err = red:set_keepalive(pool_max_idle_time, pool_size)
if not ok then
ngx.log(ngx.ERR, "放入redis连接池失败: ", err)
end
end
3）封装函数，根据key查询Redis数据
-- 查询redis的方法 ip和port是redis地址，key是查询的key
local function read_redis(ip, port, key)
-- 获取一个连接
local ok, err = red:connect(ip, port)
if not ok then
ngx.log(ngx.ERR, "连接redis失败 : ", err)
return nil
end
-- 查询redis
local resp, err = red:get(key)
-- 查询失败处理
if not resp then
ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis失败: ", err, ", key = " , key)
end
--得到的数据为空处理
if resp == ngx.null then
resp = nil
ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis数据为空, key = ", key)
end
close_redis(red)
return resp
end
4）导出
-- 将方法导出
local _M = {
read_http = read_http,
read_redis = read_redis
}
return _M
完整的common.lua：
-- 导入redis
local redis = require('resty.redis')
-- 初始化redis
local red = redis:new()
red:set_timeouts(1000, 1000, 1000)
-- 关闭redis连接的工具方法，其实是放入连接池
local function close_redis(red)
local pool_max_idle_time = 10000 -- 连接的空闲时间，单位是毫秒
local pool_size = 100 --连接池大小
local ok, err = red:set_keepalive(pool_max_idle_time, pool_size)
if not ok then
ngx.log(ngx.ERR, "放入redis连接池失败: ", err)
end
end
-- 查询redis的方法 ip和port是redis地址，key是查询的key
local function read_redis(ip, port, key)
-- 获取一个连接
local ok, err = red:connect(ip, port)
if not ok then
ngx.log(ngx.ERR, "连接redis失败 : ", err)
return nil
end
-- 查询redis
local resp, err = red:get(key)
-- 查询失败处理
if not resp then
ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis失败: ", err, ", key = " , key)
end
--得到的数据为空处理
if resp == ngx.null then
resp = nil
ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis数据为空, key = ", key)
end
close_redis(red)
return resp
end
-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
local resp = ngx.location.capture(path,{
method = ngx.HTTP_GET,
args = params,
})
if not resp then
-- 记录错误信息，返回404
ngx.log(ngx.ERR, "http查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
ngx.exit(404)
end
return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {
read_http = read_http,
read_redis = read_redis
}
return _M
5.2. 实现Redis查询
接下来，我们就可以去修改item.lua文件，实现对Redis的查询了。
查询逻辑是：
- 根据
id查询Redis - 如果查询失败则继续查询
Tomcat - 将查询结果返回
1）修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，添加一个查询函数：
-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 封装查询函数
function read_data(key, path, params)
-- 查询本地缓存
local val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
-- 判断查询结果
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
-- redis查询失败，去查询http
val = read_http(path, params)
end
-- 返回数据
return val
end
2）而后修改商品查询、库存查询的业务：
3）完整的item.lua代码：
-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')
-- 封装查询函数
function read_data(key, path, params)
-- 查询本地缓存
local val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
-- 判断查询结果
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
-- redis查询失败，去查询http
val = read_http(path, params)
end
-- 返回数据
return val
end
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 查询商品信息
local itemJSON = read_data("item:id:" .. id, "/item/" .. id, nil)
-- 查询库存信息
local stockJSON = read_data("item:stock:id:" .. id, "/item/stock/" .. id, nil)
-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)
-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold
-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))
6. Nginx本地缓存
现在，整个多级缓存中只差最后一环，也就是nginx的本地缓存了。如图：
6.1. 本地缓存API
OpenResty为Nginx提供了 shard dict 的功能，可以在nginx的多个worker之间共享数据，实现缓存功能。
1）开启共享字典，在nginx.conf的http下添加配置：
# 共享字典，也就是本地缓存，名称叫做：item_cache，大小150m
lua_shared_dict item_cache 150m;
2）操作共享字典：
-- 获取本地缓存对象
local item_cache = ngx.shared.item_cache
-- 存储, 指定key、value、过期时间，单位s，默认为0代表永不过期
item_cache:set('key', 'value', 1000)
-- 读取
local val = item_cache:get('key')
6.2. 实现本地缓存查询
1）修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，修改read_data查询函数，添加本地缓存逻辑：
-- 导入共享词典，本地缓存
local item_cache = ngx.shared.item_cache
-- 封装查询函数
function read_data(key, expire, path, params)
-- 查询本地缓存
local val = item_cache:get(key)
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "本地缓存查询失败，尝试查询Redis， key: ", key)
-- 查询redis
val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
-- 判断查询结果
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
-- redis查询失败，去查询http
val = read_http(path, params)
end
end
-- 查询成功，把数据写入本地缓存
item_cache:set(key, val, expire)
-- 返回数据
return val
end
2）修改item.lua中查询商品和库存的业务，实现最新的read_data函数：
其实就是多了缓存时间参数，过期后nginx缓存会自动删除，下次访问即可更新缓存。
这里给商品基本信息设置超时时间为30分钟，库存为1分钟。
因为库存更新频率较高，如果缓存时间过长，可能与数据库差异较大。
3）完整的item.lua文件：
-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')
-- 导入共享词典，本地缓存
local item_cache = ngx.shared.item_cache
-- 封装查询函数
function read_data(key, expire, path, params)
-- 查询本地缓存
local val = item_cache:get(key)
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "本地缓存查询失败，尝试查询Redis， key: ", key)
-- 查询redis
val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
-- 判断查询结果
if not val then
ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
-- redis查询失败，去查询http
val = read_http(path, params)
end
end
-- 查询成功，把数据写入本地缓存
item_cache:set(key, val, expire)
-- 返回数据
return val
end
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 查询商品信息
local itemJSON = read_data("item:id:" .. id, 1800, "/item/" .. id, nil)
-- 查询库存信息
local stockJSON = read_data("item:stock:id:" .. id, 60, "/item/stock/" .. id, nil)
-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)
-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold
-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))