深入探讨在集群环境中使用 EhCache 缓存系统

EhCache 缓存系统简介

EhCache 是一个纯 Java 的进程内缓存框架，具有快速、精干等特点，是 Hibernate 中默认的 CacheProvider。

下图是 EhCache 在应用程序中的位置：

图 1. EhCache 应用架构图

EhCache 的主要特性有：

1. 快速；
2. 简单；
3. 多种缓存策略；
4. 缓存数据有两级：内存和磁盘，因此无需担心容量问题；
5. 缓存数据会在虚拟机重启的过程中写入磁盘；
6. 可以通过 RMI、可插入 API 等方式进行分布式缓存；
7. 具有缓存和缓存管理器的侦听接口；
8. 支持多缓存管理器实例，以及一个实例的多个缓存区域；
9. 提供 Hibernate 的缓存实现；
10. 等等 …

由于 EhCache 是进程中的缓存系统，一旦将应用部署在集群环境中，每一个节点维护各自的缓存数据，当某个节点对缓存数据进行更新，这些更新的数据无法在其它节点中共享，这不仅会降低节点运行的效率，而且会导致数据不同步的情况发生。例如某个网站采用 A、B 两个节点作为集群部署，当 A 节点的缓存更新后，而 B 节点缓存尚未更新就可能出现用户在浏览页面的时候，一会是更新后的数据，一会是尚未更新的数据，尽管我们也可以通过 Session Sticky 技术来将用户锁定在某个节点上，但对于一些交互性比较强或者是非 Web 方式的系统来说，Session Sticky 显然不太适合。所以就需要用到 EhCache 的集群解决方案。

EhCache 从 1.7 版本开始，支持五种集群方案，分别是：

• Terracotta
• RMI
• JMS
• JGroups
• EhCache Server

本文主要介绍其中的三种最为常用集群方式，分别是 RMI、JGroups 以及 EhCache Server 。

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RMI 集群模式

RMI 是 Java 的一种远程方法调用技术，是一种点对点的基于 Java 对象的通讯方式。EhCache 从 1.2 版本开始就支持 RMI 方式的缓存集群。在集群环境中 EhCache 所有缓存对象的键和值都必须是可序列化的，也就是必须实现 java.io.Serializable 接口，这点在其它集群方式下也是需要遵守的。

下图是 RMI 集群模式的结构图：

图 2. RMI 集群模式结构图

采用 RMI 集群模式时，集群中的每个节点都是对等关系，并不存在主节点或者从节点的概念，因此节点间必须有一个机制能够互相认识对方，必须知道其它节点的信息，包括主机地址、端口号等。EhCache 提供两种节点的发现方式：手工配置和自动发现。手工配置方式要求在每个节点中配置其它所有节点的连接信息，一旦集群中的节点发生变化时，需要对缓存进行重新配置。

由于 RMI 是 Java 中内置支持的技术，因此使用 RMI 集群模式时，无需引入其它的 Jar 包，EhCache 本身就带有支持 RMI 集群的功能。使用 RMI 集群模式需要在 ehcache.xml 配置文件中定义 cacheManagerPeerProviderFactory 节点。假设集群中有两个节点，分别对应的 RMI 绑定信息是：

节点 1	192.168.0.11	4567	/oschina_cache
节点 2	192.168.0.12	4567	/oschina_cache
节点 3	192.168.0.13	4567	/oschina_cache

那么对应的手工配置信息如下：

<cacheManagerPeerProviderFactory 
    class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerProviderFactory" 
    properties="hostName=localhost,
    port=4567,
    socketTimeoutMillis=2000,
    peerDiscovery=manual,
    rmiUrls=//192.168.0.12:4567/oschina_cache|//192.168.0.13:4567/oschina_cache"
/>

其它节点配置类似，只需把 rmiUrls 中的两个 IP 地址换成另外两个节点对应的 IP 地址即可。

接下来在需要进行缓存数据复制的区域（Region）上配置如下即可：

<cache name="sampleCache2"
    maxElementsInMemory="10"
    eternal="false"
    timeToIdleSeconds="100"
    timeToLiveSeconds="100"
    overflowToDisk="false">
    <cacheEventListenerFactory
        class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheReplicatorFactory"
        properties="replicateAsynchronously=true, 
	replicatePuts=true, 
	replicateUpdates=true,
        replicateUpdatesViaCopy=false, 
	replicateRemovals=true "/>
</cache>

具体每个参数代表的意义请参考 EhCache 的手册，此处不再详细说明。

EhCache 的 RMI 集群模式还有另外一种节点发现方式，就是通过多播（ multicast ）来维护集群中的所有有效节点。这也是最为简单而且灵活的方式，与手工模式不同的是，每个节点上的配置信息都相同，大大方便了节点的部署，避免人为的错漏出现。

在上述三个节点的例子中，配置如下：

<cacheManagerPeerProviderFactory
    class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerProviderFactory"
    properties="peerDiscovery=automatic, multicastGroupAddress=230.0.0.1,
    multicastGroupPort=4446, timeToLive=32"
/>

其中需要指定节点发现模式 peerDiscovery 值为 automatic 自动；同时组播地址可以指定 D 类 IP 地址空间，范围从 224.0.1.0 到 238.255.255.255 中的任何一个地址。

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JGroups 集群模式

EhCache 从 1.5. 版本开始增加了 JGroups 的分布式集群模式。与 RMI 方式相比较， JGroups 提供了一个非常灵活的协议栈、可靠的单播和多播消息传输，主要的缺点是配置复杂以及一些协议栈对第三方包的依赖。

JGroups 也提供了基于 TCP 的单播 ( Unicast ) 和基于 UDP 的多播 ( Multicast ) ，对应 RMI 的手工配置和自动发现。使用单播方式需要指定其它节点的主机地址和端口，下面是两个节点，并使用了单播方式的配置：

<cacheManagerPeerProviderFactory
    class="net.sf.ehcache.distribution.jgroups.JGroupsCacheManagerPeerProviderFactory"
    properties="connect=TCP(start_port=7800):
        TCPPING(initial_hosts=host1[7800],host2[7800];port_range=10;timeout=3000;
        num_initial_members=3;up_thread=true;down_thread=true):
        VERIFY_SUSPECT(timeout=1500;down_thread=false;up_thread=false):
        pbcast.NAKACK(down_thread=true;up_thread=true;gc_lag=100;
	retransmit_timeout=3000):
        pbcast.GMS(join_timeout=5000;join_retry_timeout=2000;shun=false;
        print_local_addr=false;down_thread=true;up_thread=true)"
propertySeparator="::" />

使用多播方式配置如下：

<cacheManagerPeerProviderFactory
    class="net.sf.ehcache.distribution.jgroups.JGroupsCacheManagerPeerProviderFactory"
    properties="connect=UDP(mcast_addr=231.12.21.132;mcast_port=45566;):PING:
    MERGE2:FD_SOCK:VERIFY_SUSPECT:pbcast.NAKACK:UNICAST:pbcast.STABLE:FRAG:pbcast.GMS"
    propertySeparator="::"
/>

从上面的配置来看，JGroups 的配置要比 RMI 复杂得多，但也提供更多的微调参数，有助于提升缓存数据复制的性能。详细的 JGroups 配置参数的具体意义可参考 JGroups 的配置手册。

JGroups 方式对应缓存节点的配置信息如下：

<cache name="sampleCache2"
    maxElementsInMemory="10"
    eternal="false"
    timeToIdleSeconds="100"
    timeToLiveSeconds="100"
    overflowToDisk="false">
    <cacheEventListenerFactory
        class="net.sf.ehcache.distribution.jgroups.JGroupsCacheReplicatorFactory"
        properties="replicateAsynchronously=true, replicatePuts=true,
        replicateUpdates=true, replicateUpdatesViaCopy=false, replicateRemovals=true" />
</cache>

使用组播方式的注意事项

使用 JGroups 需要引入 JGroups 的 Jar 包以及 EhCache 对 JGroups 的封装包 ehcache-jgroupsreplication-xxx.jar 。

在一些启用了 IPv6 的电脑中，经常启动的时候报如下错误信息：

java.lang.RuntimeException: the type of the stack (IPv6) and the user supplied addresses (IPv4) don't match: /231.12.21.132.

解决的办法是增加 JVM 参数：-Djava.net.preferIPv4Stack=true。如果是 Tomcat 服务器，可在 catalina.bat 或者 catalina.sh 中增加如下环境变量即可：

 SET CATALINA_OPTS=-Djava.net.preferIPv4Stack=true

经过实际测试发现，集群方式下的缓存数据都可以在 1 秒钟之内完成到其节点的复制。

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EhCache Server

与前面介绍的两种集群方案不同的是， EhCache Server 是一个独立的缓存服务器，其内部使用 EhCache 做为缓存系统，可利用前面提到的两种方式进行内部集群。对外提供编程语言无关的基于 HTTP 的 RESTful 或者是 SOAP 的数据缓存操作接口。

下面是 EhCache Server 提供的对缓存数据进行操作的方法：

OPTIONS /{cache}}

获取某个缓存的可用操作的信息。

HEAD /{cache}/{element}

获取缓存中某个元素的 HTTP 头信息，例如：

curl --head  http://localhost:8080/ehcache/rest/sampleCache2/2

EhCache Server 返回的信息如下：

HTTP/1.1 200 OK 
X-Powered-By: Servlet/2.5 
Server: GlassFish/v3 
Last-Modified: Sun, 27 Jul 2008 08:08:49 GMT 
ETag: "1217146129490"
Content-Type: text/plain; charset=iso-8859-1 
Content-Length: 157 
Date: Sun, 27 Jul 2008 08:17:09 GMT

GET /{cache}/{element}

读取缓存中某个数据的值。

PUT /{cache}/{element}

写缓存。

由于这些操作都是基于 HTTP 协议的，因此你可以在任何一种编程语言中使用它，例如 Perl、PHP 和 Ruby 等等。

下图是 EhCache Server 在应用中的架构：

图 3. EhCache Server 应用架构图

EhCache Server 同时也提供强大的安全机制、监控功能。在数据存储方面，最大的 Ehcache 单实例在内存中可以缓存 20GB。最大的磁盘可以缓存 100GB。通过将节点整合在一起，这样缓存数据就可以跨越节点，以此获得更大的容量。将缓存 20GB 的 50 个节点整合在一起就是 1TB 了。

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总结

以上我们介绍了三种 EhCache 的集群方案，除了第三种跨编程语言的方案外，EhCache 的集群对应用程序的代码编写都是透明的，程序人员无需考虑缓存数据是如何复制到其它节点上。既保持了代码的轻量级，同时又支持庞大的数据集群。EhCache 可谓是深入人心。

2009 年年中，Terracotta 宣布收购 EhCache 产品。Terracotta 公司的产品 Terracotta 是一个 JVM 级的开源群集框架，提供 HTTP Session 复制、分布式缓存、POJO 群集、跨越集群的 JVM 来实现分布式应用程序协调。最近 EhCache 主要的改进都集中在跟 Terracotta 框架的集成上，这是一个真正意义上的企业级缓存解决方案。