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缓存（Cache）简介

• 位于速度相差较大的两种硬件之间，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为缓存
• 典型的如CPU与内存之间L1、L2、L3缓存，能让CPU更加聪明、更高效的执行任务
• 在软件项目中，相比于访问网络、磁盘、DB等介质或设备，内存具有更高的效率，所以很多的时候会利用内存作为缓存载体，以提高软件的性能

为什么要使用缓存

缓存在各种Web形态项目中有广泛应用

Java后端开发中有哪些缓存

本地缓存

• 成员变量或局部变量：像Map或List系统的，可以将数据库中的一些数据加载出来，在内存中做一些复杂的处理，不要每次都访问数据库，减少数据库的IO；但受JVM的堆大小和GC影响
• 全局变量或静态变量：能实现跨类或整个系统常用数据的缓存，比如一些基础的字典数据，如城市列表等，能快速访问；同样受JVM的堆大小和GC影响
• ConcurrentHashMap：使用Spring缓存框架的默认缓存机制，简单、易用
• EhCache：纯Java开源缓存框架，配置简单、结构清晰、功能强大，是一个非常轻量级的缓存实现

分布式缓存

• Memcached：应用较广的开源分布式缓存产品之一，它本身其实不提供分布式解决方案，是通过客户端Hash算法取相应的服务器节点ID形式实现分布式；采用将内存分Page和Chunk形式分配缓存空间
• Redis：是一个远程内存数据库(非关系型数据库)，具有高性能、丰富数据类型、操作原子性、可持久化等特点
• ...

主要概念

• 命中率：从缓存中读取的次数/总的读取次数，命中率越高，表示缓存设计的越好；所以缓存尽量针对更更新频率低读取频率高的数据，缓存数据颗粒度尽量小
• 缓存更新策略：由于缓存都是放在内存中，而内存相比如硬盘等介质，其容量有限，所以必须定期的清理未过期的数据；常用的缓存更新策略有：
  • FIFO（First In First Out）：先进先出，最简单的缓存更新策略
  • LFU（Least Frequently Used）：最近最少使用算法，一定时间段内使用次数（频率）最少的那个被移除，借助计数器实现
  • LRU（Least Recently Used）：最久未使用算法，使用时间距离现在最久的那个被移除，借助计数器和队列实现，Redis采用类似算法
• 常用指标：标记缓存数据项过期的度量指标
  • TTL（Time To Live ）：存活期，即从缓存中创建时间点开始直到它到期的一个时间段（不管在这个时间段内有没有访问都将过期）
  • TTI（Time To Idle）：空闲期，即一个缓存数据项多久没被访问将从缓存中移除的时间
• 最大缓存容量：一般的情况下越大越好，但需要配合更好的算法来实现

Spring缓存框架

概述

• Spring主要使用CacheManager和Cache来统一不同的缓存技术，CacheManager提供各种缓存技术的抽象，Cache接口则包含了对缓存的操作抽象
• 同时，针对不同的缓存技术，还提供了对CacheManager实现，如ConcurrentMapCacheManager、EhCacheCacheManager、ReidsCacheManager等
• 是针对所有缓存产品的一种通用处理机制
• 一般分为声明式缓存和编程式缓存

声明式缓存

• Spring提供了一些注解来声明缓存规则
• @EnableCaching：声明式缓存启用标识，标识在启动类或配置类上，让声明式缓存生效
• @CacheConfig：缓存配置，标识类，标识类中缓存的一些配置，如缓存名称
• @Cacheable：新增缓存，标识方法；如果指定缓存key存在缓存，直接取缓存；如果不存在，执行方法，并将返回数据使用指定缓存key存入缓存
• @CachePut：更新缓存，标识方法；执行方法，并将方法返回内容更新指定缓存key对应缓存
• @CacheEvict：删除缓存，标识方法；执行方法，并将指定缓存名称或key的缓存删除
• @Caching：组合使用缓存，标识方法；可组合@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict实施在一个方法上

编程式缓存

• 主要通过CacheManager、Cache两上接口及相应实现类来实现对缓存的操作
• 与声明式缓存类似，需要定义缓存名称（类似于分组）、Key来实现缓存
• 相比声明式缓存，更加灵活

SpringBoot中使用缓存

概述

• 在Spring Boot中，可以使用Spring缓存框架，集成丰富的第三方缓存技术，使用非常简单
• 一般会通过在application.properties中spring.cache.type配置相应的缓存类型，并附加配置一些相应配置完成缓存的使用
• 常用缓存类型：
  • simple：内存缓存，使用ConcurrentMapCacheManager管理缓存，缓存数据存储于JVM中的ConcurrentHashMap；一般不可设置过期时间，需要手动删除或依赖于GC回收
  • ehcache：EhCache缓存，使用EhCacheCacheManager管理缓存，缓存数据也存储于JVM，但可落地于磁盘；通过xml可配置过期时间等
  • redis：Redis缓存，使用RedisCacheManager管理缓存，缓存数据存储于Redis缓存服务器
    一般结合缓存名称(类似于分组)、缓存Key来确定一个缓存

SpringBoot中使用Redis

使用方式

1. 在pom.xml中添加spring-boot-starter-cache、spring-boot-starter-data-redis依赖，以及commons-pool2依赖，这个是Lettuce依赖
2. 在启动类添加@EnableCaching注解
3. 在application.properties中添加配置:spring.cache.type=redis，并添加redis相关的配置，包括连接的服务器ip、端口、过期时间等，具体见示例
4. 在程序中使用声明式缓存、编程式缓存方式进行操作

声明式使用

• 使用方式如下代码片断：

  package com.lemon.demo.springboot5redis.service;
  
  import com.baomidou.mybatisplus.extension.service.IService;
  import com.lemon.demo.springboot5redis.dto.common.ResponseData;
  import com.lemon.demo.springboot5redis.dto.input.grade.GradeCreateInputDto;
  import com.lemon.demo.springboot5redis.dto.input.grade.GradeInputDto;
  import com.lemon.demo.springboot5redis.dto.output.grade.GradeOutputDto;
  import com.lemon.demo.springboot5redis.entity.GradeEntity;
  import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;
  import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;
  import org.springframework.cache.annotation.CachePut;
  import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
  
  import java.util.List;
  
  /**
   * 等级服务
   * 【缓存】4、使用缓存，声明式使用
   */
  //【缓存】配置缓存名称
  @CacheConfig(cacheNames = "grade")
  public interface GradeService extends IService<GradeEntity> {
      /**
       * 分页查询
       * @param pageIndex
       * @param pageSize
       * @param name
       * @return
       */
      ResponseData<List<GradeOutputDto>> query(Long pageIndex, Long pageSize, String name);
  
      /**
       * 查询所有
       * @return
       */
      ResponseData<List<GradeOutputDto>> queryAll();
  
      /**
       * 根据Id获取
       * @param id
       * @return
       */
      //【缓存】添加缓存，使用第1个参数做为缓存的key，这里使用了简单的SpEL(Spring Expression Language)表达式
      // unless表示除非...某个条件才不缓存，在这里，只有返回数据不为null才缓存
      //#result表示取返回值
      @Cacheable(key = "#p0" , unless = "#result.data==null")
  //    @Cacheable(key = "#id")  //相同效果
      ResponseData<GradeOutputDto> getById(Integer id);
  
      /**
       * 创建
       * @param inputDto
       * @return
       */
      ResponseData create(GradeCreateInputDto inputDto);
  
      /**
       * 更新
       * @param inputDto
       * @return
       */
      //【缓存】删除缓存，使用第1个参数的id做为要删除缓存的key
      @CacheEvict(key = "#p0.id")
      ResponseData update(GradeInputDto inputDto);
  
      /**
       * 删除
       * @param id
       */
      //【缓存】删除缓存，使用第1个参数做为要删除缓存的key
      @CacheEvict(key = "#p0")
      ResponseData<Boolean> delete(Integer id);
  }
  
  

编程式使用

• 使用方式如下面代码片断：

public ResponseData<List<GradeOutputDto>> queryAll() {
        ResponseData<List<GradeOutputDto>> responseData = new ResponseData<>();
        try {
            //返回DTO引用
            List<GradeOutputDto> gradeOutputDtos = null;
            //【缓存】根据缓存Key获取缓存，如果存在，从缓存中获取数据
            if(redisTemplate.hasKey(CACHE_KEY_FOR_ALL_GRADE) == true){
                //根据Key获取缓存信息
                gradeOutputDtos = (List <GradeOutputDto>)redisTemplate.opsForList().range(CACHE_KEY_FOR_ALL_GRADE,0,redisTemplate.opsForList().size(CACHE_KEY_FOR_ALL_GRADE));
            }
            //如果不存在，则从数据库中获取
            if(gradeOutputDtos == null) {
                //查询
                List<GradeEntity> gradeEntities = this.list();
                //Entity转Dto
                gradeOutputDtos = gradeEntities.stream().map(s->modelMapper.map(s,GradeOutputDto.class)).collect(Collectors.toList());

                //【缓存】从数据库获取后，将数据缓存到Redis
                redisTemplate.opsForList().leftPushAll(CACHE_KEY_FOR_ALL_GRADE,gradeOutputDtos);
                //【缓存】设置过期时间，使用动态过期时间
                redisTemplate.expire(CACHE_KEY_FOR_ALL_GRADE,redisTemplateUtil.getExpire(CACHE_NAME));
            }

            responseData = ResponseData.success(gradeOutputDtos);
        } catch (Exception ex) {
            responseData = ResponseData.failure(ex.getMessage());
            ex.printStackTrace();
        }

        return responseData;
    }