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SpringBoot多级缓存实现方案总结

 更新时间：2023年08月08日 10:33:44   作者：shepherd111  
所谓多级缓存,是指在整个系统架构的不同系统层面进行数据缓存,以提升访问速度,多级缓存就是为了解决项目服务中单一缓存使用不足的缺点,本文我们将给大家总结了SpringBoot多级缓存实现方案,需要的朋友可以参考下

1.背景

缓存，就是让数据更接近使用者，让访问速度加快，从而提升系统性能。工作机制大概是先从缓存中加载数据，如果没有，再从慢速设备(eg:数据库)中加载数据并同步到缓存中。

所谓多级缓存，是指在整个系统架构的不同系统层面进行数据缓存，以提升访问速度。主要分为三层缓存：网关nginx缓存、分布式缓存、本地缓存。这里的多级缓存就是用redis分布式缓存+caffeine本地缓存整合而来。

平时我们在开发过程中，一般都是使用redis实现分布式缓存、caffeine操作本地缓存，但是发现只使用redis或者是caffeine实现缓存都有一些问题：

  • 一级缓存：Caffeine是一个一个高性能的 Java 缓存库；使用 Window TinyLfu 回收策略，提供了一个近乎最佳的命中率。优点数据就在应用内存所以速度快。缺点受应用内存的限制，所以容量有限；没有持久化，重启服务后缓存数据会丢失；在分布式环境下缓存数据数据无法同步；
  • 二级缓存：redis是一高性能、高可用的key-value数据库，支持多种数据类型，支持集群，和应用服务器分开部署易于横向扩展。优点支持多种数据类型，扩容方便；有持久化，重启应用服务器缓存数据不会丢失；他是一个集中式缓存，不存在在应用服务器之间同步数据的问题。缺点每次都需要访问redis存在IO浪费的情况。

综上所述，我们可以通过整合redis和caffeine实现多级缓存，解决上面单一缓存的痛点，从而做到相互补足。

2.整合实现

2.1思路

Spring 本来就提供了Cache的支持，最核心的就是实现Cache和CacheManager接口。但是Spring Cache存在以下问题：

  • Spring Cache 仅支持单一的缓存来源，即：只能选择 Redis 实现或者 Caffeine 实现，并不能同时使用。
  • 数据一致性：各层缓存之间的数据一致性问题，如应用层缓存和分布式缓存之前的数据一致性问题。

由此我们可以通过重新实现Cache和CacheManager接口，整合redis和caffeine，从而实现多级缓存。在讲实现原理之前先看看多级缓存调用逻辑图：

2.2实现

首先，我们需要一个多级缓存配置类，方便对缓存属性的动态配置，通过开关做到可插拔。

@ConfigurationProperties(prefix = "multilevel.cache")
@Data
public class MultilevelCacheProperties {
​
    /**
     * 一级本地缓存最大比例
     */
    private Double maxCapacityRate = 0.2;
​
    /**
     * 一级本地缓存与最大缓存初始化大小比例
     */
    private Double initRate = 0.5;
​
    /**
     * 消息主题
     */
    private String topic = "multilevel-cache-topic";
​
    /**
     * 缓存名称
     */
    private String name = "multilevel-cache";
​
    /**
     * 一级本地缓存名称
     */
    private String caffeineName = "multilevel-caffeine-cache";
​
    /**
     * 二级缓存名称
     */
    private String redisName = "multilevel-redis-cache";
​
    /**
     * 一级本地缓存过期时间
     */
    private Integer caffeineExpireTime = 300;
​
    /**
     * 二级缓存过期时间
     */
    private Integer redisExpireTime = 600;
​
​
    /**
     * 一级缓存开关
     */
    private Boolean caffeineSwitch = true;
​
}

在自动配置类使用 @EnableConfigurationProperties(MultilevelCacheProperties.class) 注入即可使用。

接下来就是重新实现spring的Cache接口，整合caffeine本地缓存和redis分布式缓存实现多级缓存

package com.plasticene.boot.cache.core.manager;
​
import com.plasticene.boot.cache.core.listener.CacheMessage;
import com.plasticene.boot.cache.core.prop.MultilevelCacheProperties;
import com.plasticene.boot.common.executor.plasticeneThreadExecutor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache;
import org.springframework.cache.support.AbstractValueAdaptingCache;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCache;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.lang.NonNull;
import org.springframework.util.Assert;
​
import javax.annotation.Resource;
import java.util.Objects;
import java.util.concurrent.*;
​
/**
 * @author fjzheng
 * @version 1.0
 * @date 2022/7/20 17:03
 */
@Slf4j
public class MultilevelCache extends AbstractValueAdaptingCache {
​
    @Resource
    private MultilevelCacheProperties multilevelCacheProperties;
    @Resource
    private RedisTemplate redisTemplate;
​
​
    ExecutorService cacheExecutor = new plasticeneThreadExecutor(
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2,
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 20,
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 200,
           "cache-pool"
    );
​
    private RedisCache redisCache;
    private CaffeineCache caffeineCache;
​
    public MultilevelCache(boolean allowNullValues,RedisCache redisCache, CaffeineCache caffeineCache) {
        super(allowNullValues);
        this.redisCache = redisCache;
        this.caffeineCache = caffeineCache;
    }
​
​
    @Override
    public String getName() {
        return multilevelCacheProperties.getName();
​
    }
​
    @Override
    public Object getNativeCache() {
        return null;
    }
​
    @Override
    public <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader) {
        Object value = lookup(key);
        return (T) value;
    }
​
    /**
     *  注意：redis缓存的对象object必须序列化 implements Serializable, 不然缓存对象不成功。
     *  注意：这里asyncPublish()方法是异步发布消息，然后让分布式其他节点清除本地缓存,防止当前节点因更新覆盖数据而其他节点本地缓存保存是脏数据
     *  这样本地缓存数据才能成功存入
     * @param key
     * @param value
     */
    @Override
    public void put(@NonNull Object key, Object value) {
        redisCache.put(key, value);
        // 异步清除本地缓存
        if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
            asyncPublish(key, value);
        }
    }
​
    /**
     * key不存在时，再保存，存在返回当前值不覆盖
     * @param key
     * @param value
     * @return
     */
    @Override
    public ValueWrapper putIfAbsent(@NonNull Object key, Object value) {
        ValueWrapper valueWrapper = redisCache.putIfAbsent(key, value);
        // 异步清除本地缓存
        if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
            asyncPublish(key, value);
        }
        return valueWrapper;
    }
​
​
    @Override
    public void evict(Object key) {
        // 先清除redis中缓存数据，然后通过消息推送清除所有节点caffeine中的缓存，
        // 避免短时间内如果先清除caffeine缓存后其他请求会再从redis里加载到caffeine中
        redisCache.evict(key);
        // 异步清除本地缓存
        if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
            asyncPublish(key, null);
        }
    }
​
    @Override
    public boolean evictIfPresent(Object key) {
        return false;
    }
​
    @Override
    public void clear() {
        redisCache.clear();
        // 异步清除本地缓存
        if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
            asyncPublish(null, null);
        }
    }
​
​
​
    @Override
    protected Object lookup(Object key) {
        Assert.notNull(key, "key不可为空");
        ValueWrapper value;
        if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
            // 开启一级缓存，先从一级缓存缓存数据
            value = caffeineCache.get(key);
            if (Objects.nonNull(value)) {
                log.info("查询caffeine 一级缓存 key:{}, 返回值是:{}", key, value.get());
                return value.get();
            }
        }
        value = redisCache.get(key);
        if (Objects.nonNull(value)) {
            log.info("查询redis 二级缓存 key:{}, 返回值是:{}", key, value.get());
            // 异步将二级缓存redis写到一级缓存caffeine
            if (multilevelCacheProperties.getCaffeineSwitch()) {
                ValueWrapper finalValue = value;
                cacheExecutor.execute(()->{
                    caffeineCache.put(key, finalValue.get());
                });
            }
            return value.get();
        }
        return null;
    }
​
    /**
     * 缓存变更时通知其他节点清理本地缓存
     * 异步通过发布订阅主题消息，其他节点监听到之后进行相关本地缓存操作，防止本地缓存脏数据
     */
    void asyncPublish(Object key, Object value) {
        cacheExecutor.execute(()->{
            CacheMessage cacheMessage = new CacheMessage();
            cacheMessage.setCacheName(multilevelCacheProperties.getName());
            cacheMessage.setKey(key);
            cacheMessage.setValue(value);
            redisTemplate.convertAndSend(multilevelCacheProperties.getTopic(), cacheMessage);
        });
    }
​
​
​
}
​

缓存消息监听：我们通监听caffeine键值的移除、打印日志方便排查问题，通过监听redis发布的消息，实现分布式集群多节点本地缓存清除从而达到数据一致性。

消息体

@Data
public class CacheMessage implements Serializable {
    private String cacheName;
    private Object key;
    private Object value;
    private Integer type;
}

caffeine移除监听：

@Slf4j
public class CaffeineCacheRemovalListener implements RemovalListener<Object, Object> {
    @Override
    public void onRemoval(@Nullable Object k, @Nullable Object v, @NonNull RemovalCause cause) {
        log.info("[移除缓存] key:{} reason:{}", k, cause.name());
        // 超出最大缓存
        if (cause == RemovalCause.SIZE) {
​
        }
        // 超出过期时间
        if (cause == RemovalCause.EXPIRED) {
            // do something
        }
        // 显式移除
        if (cause == RemovalCause.EXPLICIT) {
            // do something
        }
        // 旧数据被更新
        if (cause == RemovalCause.REPLACED) {
            // do something
        }
    }
}
​

redis消息监听：

@Slf4j
@Data
public class RedisCacheMessageListener implements MessageListener {
​
    private CaffeineCache caffeineCache;
    @Override
    public void onMessage(Message message, byte[] pattern) {
        log.info("监听的redis message: {}" + message.toString());
        CacheMessage cacheMessage = JsonUtils.parseObject(message.toString(), CacheMessage.class);
        if (Objects.isNull(cacheMessage.getKey())) {
            caffeineCache.invalidate();
        } else {
            caffeineCache.evict(cacheMessage.getKey());
        }
    }
}

最后，通过自动配置类，注入相关bean：

**
 * @author fjzheng
 * @version 1.0
 * @date 2022/7/20 17:24
 */
@Configuration
@EnableConfigurationProperties(MultilevelCacheProperties.class)
public class MultilevelCacheAutoConfiguration {
​
    @Resource
    private MultilevelCacheProperties multilevelCacheProperties;
​
    ExecutorService cacheExecutor = new plasticeneThreadExecutor(
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2,
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 20,
            Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 200,
            "cache-pool"
    );
​
    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean({RedisTemplate.class})
    public  RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
        RedisTemplate<Object, Object> template = new RedisTemplate<Object, Object>();
        template.setConnectionFactory(factory);
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setHashKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setDefaultSerializer(new Jackson2JsonRedisSerializer<>(Object.class));
        template.setHashValueSerializer(new Jackson2JsonRedisSerializer<>(Object.class));
        return template;
    }
​
    @Bean
    public RedisCache redisCache (RedisConnectionFactory redisConnectionFactory) {
        RedisCacheWriter redisCacheWriter = RedisCacheWriter.nonLockingRedisCacheWriter(redisConnectionFactory);
        RedisCacheConfiguration redisCacheConfiguration = defaultCacheConfig();
        redisCacheConfiguration = redisCacheConfiguration.entryTtl(Duration.of(multilevelCacheProperties.getRedisExpireTime(), ChronoUnit.SECONDS));
        redisCacheConfiguration = redisCacheConfiguration.serializeKeysWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new StringRedisSerializer()));
        redisCacheConfiguration = redisCacheConfiguration.serializeValuesWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer()));
        RedisCache redisCache = new CustomRedisCache(multilevelCacheProperties.getRedisName(), redisCacheWriter, redisCacheConfiguration);
        return redisCache;
    }
​
    /**
     * 由于Caffeine 不会再值过期后立即执行清除，而是在写入或者读取操作之后执行少量维护工作，或者在写入读取很少的情况下，偶尔执行清除操作。
     * 如果我们项目写入或者读取频率很高，那么不用担心。如果想入写入和读取操作频率较低，那么我们可以通过Cache.cleanUp()或者加scheduler去定时执行清除操作。
     * Scheduler可以迅速删除过期的元素，***Java 9 +***后的版本，可以通过Scheduler.systemScheduler(), 调用系统线程，达到定期清除的目的
     * @return
     */
    @Bean
    @ConditionalOnClass(CaffeineCache.class)
    @ConditionalOnProperty(name = "multilevel.cache.caffeineSwitch", havingValue = "true", matchIfMissing = true)
    public CaffeineCache caffeineCache() {
        int maxCapacity = (int) (Runtime.getRuntime().totalMemory() * multilevelCacheProperties.getMaxCapacityRate());
        int initCapacity = (int) (maxCapacity * multilevelCacheProperties.getInitRate());
        CaffeineCache caffeineCache = new CaffeineCache(multilevelCacheProperties.getCaffeineName(), Caffeine.newBuilder()
                // 设置初始缓存大小
                .initialCapacity(initCapacity)
                // 设置最大缓存
                .maximumSize(maxCapacity)
                // 设置缓存线程池
                .executor(cacheExecutor)
                // 设置定时任务执行过期清除操作
//                .scheduler(Scheduler.systemScheduler())
                // 监听器(超出最大缓存)
                .removalListener(new CaffeineCacheRemovalListener())
                // 设置缓存读时间的过期时间
                .expireAfterAccess(Duration.of(multilevelCacheProperties.getCaffeineExpireTime(), ChronoUnit.SECONDS))
                // 开启metrics监控
                .recordStats()
                .build());
        return caffeineCache;
    }
​
    @Bean
    @ConditionalOnBean({CaffeineCache.class, RedisCache.class})
    public MultilevelCache multilevelCache(RedisCache redisCache, CaffeineCache caffeineCache) {
        MultilevelCache multilevelCache = new MultilevelCache(true, redisCache, caffeineCache);
        return multilevelCache;
    }
​
    @Bean
    public RedisCacheMessageListener redisCacheMessageListener(@Autowired CaffeineCache caffeineCache) {
        RedisCacheMessageListener redisCacheMessageListener = new RedisCacheMessageListener();
        redisCacheMessageListener.setCaffeineCache(caffeineCache);
        return redisCacheMessageListener;
    }
​
​
​
    @Bean
    public RedisMessageListenerContainer redisMessageListenerContainer(@Autowired RedisConnectionFactory redisConnectionFactory,
                                                                       @Autowired RedisCacheMessageListener redisCacheMessageListener) {
        RedisMessageListenerContainer redisMessageListenerContainer = new RedisMessageListenerContainer();
        redisMessageListenerContainer.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
        redisMessageListenerContainer.addMessageListener(redisCacheMessageListener, new ChannelTopic(multilevelCacheProperties.getTopic()));
        return redisMessageListenerContainer;
    }
​
}
​

3.使用

使用非常简单，只需要通过 multilevelCache 操作即可：

@RestController
@RequestMapping("/api/data")
@Api(tags = "api数据")
@Slf4j
public class ApiDataController {
​
    @Resource
    private MultilevelCache multilevelCache;
​
    @GetMapping("/put/cache")
    public void put() {
        DataSource ds = new DataSource();
        ds.setName("多级缓存");
        ds.setType(1);
        ds.setCreateTime(new Date());
        ds.setHost("127.0.0.1");
        multilevelCache.put("test-key", ds);
    }
​
    @GetMapping("/get/cache")
    public DataSource get() {
        DataSource dataSource = multilevelCache.get("test-key", DataSource.class);
        return dataSource;
    }
​
}

4.总结

以上全部就是关于多级缓存的实现方案总结，多级缓存就是为了解决项目服务中单一缓存使用不足的缺点。应用场景有：接口权限校验，每次请求接口都需要根据当前登录人有哪些角色，角色有哪些权限，如果每次都去查数据库性能开销比较严重，再加上权限一般不怎么会频繁变更，所以使用多级缓存是最合适不过了；还有就是很多管理系统列表界面都有组织架构信息(所属部门、小组等)，这些信息同样可以使用多级缓存来完美提升性能。

到此这篇关于SpringBoot多级缓存实现方案总结的文章就介绍到这了,更多相关SpringBoot实现多级缓存内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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