数据库对象的缓存策略

前言
本文探讨Jive(曾经开源的Java论坛)和Hibernate（Java开源持久层）的数据库对象的缓存策略，并阐述作者本人的Lightor（Java开源持久层）采用的数据库对象缓存策略。
本文的探讨基于以前开源的Jive代码，Hibernate2.1.7源码，和作者本人的Lightor代码。
本文用ID (Identifier的缩写)来代表数据记录的关键字。
数据对象查询一般分为两种：条件查询，返回一个满足条件的数据对象列表； ID查询，返回ID对应的数据对象。
本文主要探讨“条件查询”和“ID查询”这两种情况的缓存策略。
本文只探讨一个JVM内的数据缓存策略，不涉及分布式缓存；本文只探讨对应单表的数据对象的缓存，不涉及关联表对象的情况。

一、Jive的缓存策略
1．Jive的缓存策略的过程描述：
(1)条件查询的时候，Jive用 select id from table_name where …. （只选择ID字段）这样的SQL语句查询数据库，来获得一个ID列表。
(2) Jive根据ID列表中的每个ID，首先查看缓存中是否存在对应ID的数据对象：如果存在，那么直接取出，加入到 结果列表中；如果不存在，那么通过一条select * from table_name where id = {ID value} 这样的SQL查询数据库，取出对应的数据对象，放入到结果列表，并把这个数据对象按照ID放入到缓存中。
(3) ID查询的时候，Jive执行类似第(2)步的过程，先从缓存中查找该ID，查不到，再查询数据库，然后把结果放入到缓存。
(4) 删除、更新、增加数据的时候，同时更新缓存。
2．Jive缓存策略的优点：
(1) ID查询的时候，如果该ID已经存在于缓存中，那么可以直接取出。节省了一条数据库查询。
(2) 当多次条件查询的结果集相交的情况下，交集里面的数据对象不用重复从数据库整个获取，直接从缓存中获取即可。
比如，第一次查询的ID列表为{1, 2}，然后根据ID列表的ID从数据库中一个一个取出数据对象，结果集为{a(id = 1),  b(id = 2)}。
下一次查询的ID列表为{2, 3}，由于ID = 2的数据对象已经存在于缓存中，那么只要从数据库中取出ID = 3的数据对象即可。
3．Jive缓存策略的缺点：
(1) 在根据条件查找数据对象列表的过程中，DAO的第(1)步用来获得ID列表的那一次数据库查询，是必不可少的。
(2) 如果第(1)步返回的ID列表中有n个ID，在最坏的命中率（缓存中一个对应ID都没有）情况下，Jive还要再查询n次数据库。最坏情况下，共需要n + 1数据库查询。

二、Hibernate的二级缓存策略
Hibernate用Session类包装了数据库连接从打开到关闭的过程。
Session内部维护一个数据对象集合，包括了本Session内选取的、操作的数据对象。这称为Session内部缓存，是Hibernate的第一级最快缓存，属于Hibernate的既定行为，不需要进行配置(也没有办法配置 :-)。
Session的生命期很短，存在于Session内部的第一级最快缓存的生命期当然也很短，命中率自然也很低。当然，这个Session内部缓存的主要作用是保持Session内部数据状态同步。
如果需要跨Session的命中率较高的全局缓存，那么必须对Hibernate进行二级缓存配置。一般来说，同样数据类型（Class）的数据对象，共用一个二级缓存（或其中的同一块）。
1．Hibernate二级缓存策略的过程描述：
(1)条件查询的时候，总是发出一条select * from table_name where …. （选择所有字段）这样的SQL语句查询数据库，一次获得所有的数据对象。
(2) 把获得的所有数据对象根据ID放入到第二级缓存中。
(3) 当Hibernate根据ID访问数据对象的时候，首先从Session一级缓存中查；查不到，如果配置了二级缓存，那么从二级缓存中查；查不到，再查询数据库，把结果按照ID放入到缓存。
(4) 删除、更新、增加数据的时候，同时更新缓存。

2．Hibernate二级缓存策略的优点：
(1) 具有Jive缓存策略同样的第(1)条优点：ID查询的时候，如果该ID已经存在于缓存中，那么可以直接取出。节省了一条数据库查询。
(2) 不具有Jive缓存策略的第(2)条缺点，即hibernate不会有最坏情况下的 n + 1次数据库查询。
3．Hibernate二级缓存策略的缺点：
(1) 同Jive缓存策略的第(1)条缺点一样，条件查询的时候，第(1)步的数据库查询语句是不可少的。而且Hibernate选择所有的字段，比只选择ID字段花费的时间和空间都多。
(2) 不具备Jive缓存策略的第(2)条优点。条件查询的时候，必须把数据库对象从数据库中整个取出，即使该数据库的ID已经存在于缓存中。

三、Hibernate的Query缓存策略
可以看到，Jive缓存和Hibernate的二级缓存策略，都只是针对于ID查询的缓存策略，对于条件查询则毫无作用。（尽管Jive缓存的第(2)个优点，能够避免重复从数据库获取同一个ID对应的数据对象，但select id from …这条数据库查询是每次条件查询都必不可少的）。
为此，Hibernate提供了针对条件查询的Query缓存。
1．Hibernate的Query缓存策略的过程描述：
(1) 条件查询的请求一般都包括如下信息：SQL, SQL需要的参数，记录范围（起始位置rowStart，最大记录个数maxRows)，等。
(2) Hibernate首先根据这些信息组成一个Query Key，根据这个Query Key到Query缓存中查找对应的结果列表。如果存在，那么返回这个结果列表；如果不存在，查询数据库，获取结果列表，把整个结果列表根据Query Key放入到Query缓存中。
(3) Query Key中的SQL涉及到一些表名，如果这些表的任何数据发生修改、删除、增加等操作，这些相关的Query Key都要从缓存中清空。
2．Hibernate的Query缓存策略的优点
(1) 条件查询的时候，如果Query Key已经存在于缓存，那么不需要再查询数据库。命中的情况下，一次数据库查询也不需要。
3．Hibernate的Query缓存策略的缺点
(1) 条件查询涉及到的表中，如果有任何一条记录增加、删除、或改变，那么缓存中所有和该表相关的Query Key都会失效。
比如，有这样几组Query Key，它们的SQL里面都包括table1。
SQL = select * from table1 where c1 = ? ….,  parameter = 1, rowStart = 11, maxRows = 20.
SQL = select * from table1 where c1 = ? ….,  parameter = 1, rowStart = 21, maxRows = 20.
SQL = select * from table1 where c1 = ? …..,  parameter = 2, rowStart = 11, maxRows = 20.
SQL = select * from table1 where c1 = ? …..,  parameter = 2, rowStart = 11, maxRows = 20.
SQL = select * from table1 where c2 = ? ….,  parameter = ‘abc’, rowStart = 11, maxRows = 20.

当table1的任何数据对象（任何字段）改变、增加、删除的时候，这些Query Key对应的结果集都不能保证没有发生变化。
很难做到根据数据对象的改动精确判断哪些Query Key对应的结果集受到影响。最简单的实现方法，就是清空所有SQL包含table1的Query Key。

(2) Query缓存中，Query Key对应的是数据对象列表，假如不同的Query Key对应的数据对象列表有交集，那么，交集部分的数据对象就是重复存储的。
比如，Query Key 1对应的数据对象列表为{a(id = 1), b(id = 2)}，Query Key 2对应的数据对象列表为{a(id = 1), c(id = 3)}，这个a就在两个List同时存在了两份。

4．二级缓存和Query缓存同步的困惑
假如，Query缓存中，一个Query Key对应的结果列表为{a (id = 1) , b (id = 2), c (id = 3)}; 二级缓存里面有也id = 1对应的数据对象a。
这两个数据对象a之间是什么关系？能够保持状态同步吗？
我阅读Hibernate的相关源码，没有发现两个缓存之间的这种同步关系。
或者两者之间毫无关系。就像我上面所说的，只要表数据发生变化，相关的Query Key都要被清空。所以不用考虑同步问题？

四、Lightor的缓存策略
Lightor是我做的Java开源持久层框架。Lightor的意思是，Lightweight O/R。Hibernate，JDO，EJB CMP这些持久层框架，都是Layer。Lightor算不上Layer，而只是一个Helper。这里的O/R意思不是Object/Relational，而是Object/ResultSet的意思。:-)
Lightor的缓存策略，主要参照Hibernate的缓存思路，Lightor的缓存也分为 Query缓存和ID缓存。但其中有一点不同，两者之间并不是毫无联系的，而是相互关联的。
1．Lightor的缓存策略的过程描述：
(1) 条件查询的请求一般都包括如下信息：SQL, 对应SQL的参数，起始记录位置(rowStart)，最大记录个数(maxRows)，等。
(2) Lightor首先根据这些信息组成一个Query Key，根据这个Query Key到Query缓存中查找对应的结果ID列表。注意，这里获取的是ID列表。
如果结果ID列表存在于Query缓存，那么根据这个ID列表的每个ID，到ID缓存中取对应的数据对象。如果所有ID对应的数据对象都找到，那个返回这个数据对象结果列表。注意，这里获取的是整个数据对象（所有字段）的列表。
如果结果ID列表不存在于Query缓存，或者结果ID列表中的某一个ID不存在于ID缓存，那么，就查询数据库，获取结果列表。然后，把获取的每个数据对象按照ID放入到ID缓存；并组装成一个ID列表，按照Query Key存放到Query缓存中。注意，这里是把ID列表，而不是整个对象列表，放入到Query缓存中。
(3) ID查询的时候，Lightor先从ID缓存中查找该ID，如果不存在，那么查询数据库，把结果放入ID缓存。
(4) Query Key中的SQL涉及到一些表名，如果这些表的任何数据发生修改、删除、增加等操作，这些相关的Query Key都要从缓存中清空。
2．Lightor的缓存策略的优点
(1) Lightor的ID缓存具有Jive缓存，和Hibernate二级ID缓存的优点。ID查询的时候，如果该ID已经存在于缓存中，那么可以直接取出。节省了一条数据库查询。
(2) Lightor的Query缓存具有Hibernate的Query缓存的优点。条件查询的时候，如果Query Key已经存在于缓存，那么不需要再查询数据库。命中的情况下，一次数据库查询也不需要。
(3) Lightor的Query缓存中，Query Key对应的是ID列表，而不是数据对象列表，真正的数据对象只存在于ID缓存中。所以，不同的Query Key对应的ID列表如果有交集，ID对应的数据对象也不会在ID缓存中重复存储。
(4) Lightor的缓存也没有Jive缓存的最坏情况n + 1次数据库查询缺点。
3．Lightor的缓存策略的缺点
(1) Lightor的Query缓存具有Hibernate的Query缓存的缺点。条件查询涉及到的表中，如果有任何一条记录增加、删除、或改变，那么缓存中所有和该表相关的Query Key都会失效。
(2) Lightor的ID缓存也具有hibernate的二级ID缓存具有的缺点。条件查询的时候，即使ID已经存在于缓存中，也需要重新把数据对象整个从数据库取出，放入到缓存中。

五、Query Key的效率
Query缓存的Query Key的空间和时间开销比较大。
Query Key里面存放的东西不少，SQL, 参数，范围（起始，个数）。
这里面最大的东西就是SQL。又占地方，又花时间（hashCode, equals）。
Query Key最关键的两个方法是hashCode和equals，重点是SQL的hashCode和equals。

Lightor的做法是，由于Lightor直接使用SQL，不用HQL、OQL之类，所以推荐尽量使用static final String的SQL，能够节省空间和时间，以至于Query Key的效率能够相当于ID Key的效率。
至于Hibernate的QueryKey，有兴趣的读者可以去下载阅读Hibernate的各个版本的源代码，跟踪一下QueryKey的实现优化过程。

六、总结
这里列一个表，综合表示Jive, Hibernate, Lightor的缓存策略的特征。
     N + 1问题 重复ID缓存问题 Query缓存支持
Jive缓存           有 无 不支持
Hibernate缓存 无 有 支持
Lightor缓存 无 有 支持

注：
“重复ID缓存问题”的含义是，每次条件查询，不是只取ID列表，而是取出完整对象（所有字段）的列表。这样，同一个ID对应的数据对象，即使在缓存中已经存在，也可能被重新放入缓存。参见相关缓存的缺点描述。
“重复ID缓存问题”的负面效应到底有多大，就看你的select id from …（只选择ID）比你的 select * from … (选择所有字段)快多少。主要影响因素是，字段的个数，字段值的长度，与数据库服务器之间网络传输速度。
不管怎么说，即使选择所有字段，也只是一次数据库查询。而N + 1问题带来的可能最坏的负面效应（N + 1次数据查询）却是非常大的。
选择缓存策略的时候，应根据这些情况发生的概率和正负面效应进行取舍。