实现 Java 本地缓存,该从这几点开始

缓存,我相信大家对它一定不陌生,在项目中,缓存肯定是必不可少的。市面上有非常多的缓存工具,比如 Redis、Guava Cache 或者 EHcache。对于这些工具,我想大家肯定都非常熟悉,所以今天我们不聊它们,我们来聊一聊如何实现本地缓存。参考上面几种工具,要实现一个较好的本地缓存,平头哥认为要从以下三个方面开始。

1、存储集合的选择

实现本地缓存,存储容器肯定是 key/value 形式的数据结构,在 Java 中,也就是我们常用的 Map 集合。Map 中有 HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap 几种供我们选择,如果不考虑高并发情况下数据安全问题,我们可以选择HashMap,如果考虑高并发情况下数据安全问题,我们可以选择 Hashtable、ConcurrentHashMap 中的一种集合,但是我们优先选择 ConcurrentHashMap,因为 ConcurrentHashMap 的性能比 Hashtable 要好。

2、过期缓存处理

因为缓存直接存储在内存中,如果我们不处理过期缓存,内存将被大量无效缓存占用,这不是我们想要的,所以我们需要清理这些失效的缓存。过期缓存处理可以参考 Redis 的策略来实现,Redis 采用的是定期删除 + 懒惰淘汰策略。

定期删除策略

定期删除策略是每隔一段时间检测已过期的缓存,并且降之删除。这个策略的优点是能够确保过期的缓存都会被删除。同时也存在着缺点,过期的缓存不一定能够及时的被删除,这跟我们设置的定时频率有关系,另一个缺点是如果缓存数据较多时,每次检测也会给 cup 带来不小的压力。

懒惰淘汰策略

懒惰淘汰策略是在使用缓存时,先判断缓存是否过期,如果过期将它删除,并且返回空。这个策略的优点是只有在查找的时候,才判断是否过期,对 CUP 影响较。同时这种策略有致命的缺点,当存入了大量的缓存,这些缓存都没有被使用并且已过期,都将成为无效缓存,这些无效的缓存将占用你大量的内存空间,最后导致服务器内存溢出。

我们简单的了解了一下 Redis 的两种过期缓存处理策略,每种策略都存在自己的优缺点。所以我们在使用过程中,可以将两种策略组合起来,结合效果还是非常理想的。

3、缓存淘汰策略

缓存淘汰跟过期缓存处理要区别开来,缓存淘汰是指当我们的缓存个数达到我们指定的缓存个数时,毕竟我们的内存不是无限的。如果我们需要继续添加缓存的话,我们就需要在现有的缓存中根据某种策略淘汰一些缓存,给新添加的缓存腾出位置,下面一起来认识几种常用的缓存淘汰策略。

先进先出策略

最先进入缓存的数据在缓存空间不够的情况下会被优先被清除掉,以腾出新的空间接受新的数据。该策略主要比较缓存元素的创建时间。在一些对数据实效性要求比较高的场景下,可考虑选择该类策略,优先保障最新数据可用。

最少使用策略

无论是否过期,根据元素的被使用次数判断,清除使用次数较少的元素释放空间。该策略主要比较元素的hitCount(命中次数),在保证高频数据有效性场景下,可选择这类策略。

最近最少使用策略

无论是否过期,根据元素最后一次被使用的时间戳,清除最远使用时间戳的元素释放空间。该策略主要比较缓存最近一次被get使用时间。在热点数据场景下较适用,优先保证热点数据的有效性。

随机淘汰策略

无论是否过期,随机淘汰某个缓存,如果对缓存数据没有任何要求,可以考虑使用该策略。

不淘汰策略

当缓存达到指定值之后,不淘汰任何缓存,而是不能新增缓存,直到有缓存淘汰时,才能继续添加缓存。

上面是实现本地缓存需要考虑的三个点,看完我们应该知该如何实现一个本地缓存了,不妨我们一起来实现一个本地缓存。

实现本地缓存

在该 Demo 中,我们采用 ConcurrentHashMap 作为存储集合,这样即使在高并发的情况下,我们也能够保证缓存的安全。过期缓存处理在这里我只使用了定时删除策略,并没有使用定时删除 + 懒惰淘汰策略,你可以自己动手尝试一下使用这两种策略进行过期缓存处理。在缓存淘汰方面,我在这里采用了最少使用策略。好了,技术选型都知道了,我们一起来看看代码实现。

缓存对象类

public class Cache implements Comparable<Cache>{
    // 键
    private Object key;
    // 缓存值
    private Object value;
    // 最后一次访问时间
    private long accessTime;
    // 创建时间
    private long writeTime;
    // 存活时间
    private long expireTime;
    // 命中次数
    private Integer hitCount;
    ...getter/setter()...

添加缓存

/**
 * 添加缓存
 *
 * @param key
 * @param value
 */
public void put(K key, V value,long expire) {
    checkNotNull(key);
    checkNotNull(value);
    // 当缓存存在时,更新缓存
    if (concurrentHashMap.containsKey(key)){
        Cache cache = concurrentHashMap.get(key);
        cache.setHitCount(cache.getHitCount()+1);
        cache.setWriteTime(System.currentTimeMillis());
        cache.setAccessTime(System.currentTimeMillis());
        cache.setExpireTime(expire);
        cache.setValue(value);
        return;
    }
    // 已经达到最大缓存
    if (isFull()) {
        Object kickedKey = getKickedKey();
        if (kickedKey !=null){
            // 移除最少使用的缓存
            concurrentHashMap.remove(kickedKey);
        }else {
            return;
        }
    }
    Cache cache = new Cache();
    cache.setKey(key);
    cache.setValue(value);
    cache.setWriteTime(System.currentTimeMillis());
    cache.setAccessTime(System.currentTimeMillis());
    cache.setHitCount(1);
    cache.setExpireTime(expire);
    concurrentHashMap.put(key, cache);
}

获取缓存

/**
 * 获取缓存
 *
 * @param key
 * @return
 */
public Object get(K key) {
    checkNotNull(key);
    if (concurrentHashMap.isEmpty()) return null;
    if (!concurrentHashMap.containsKey(key)) return null;
    Cache cache = concurrentHashMap.get(key);
    if (cache == null) return null;
    cache.setHitCount(cache.getHitCount()+1);
    cache.setAccessTime(System.currentTimeMillis());
    return cache.getValue();
}

获取最少使用的缓存

    /**
     * 获取最少使用的缓存
     * @return
     */
    private Object getKickedKey() {
        Cache min = Collections.min(concurrentHashMap.values());
        return min.getKey();
    }

过期缓存检测方法

/**
 * 处理过期缓存
 */
class TimeoutTimerThread implements Runnable {
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
                expireCache();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 创建多久后,缓存失效
     *
     * @throws Exception
     */
    private void expireCache() throws Exception {
        System.out.println("检测缓存是否过期缓存");
        for (Object key : concurrentHashMap.keySet()) {
            Cache cache = concurrentHashMap.get(key);
            long timoutTime = TimeUnit.NANOSECONDS.toSeconds(System.nanoTime()
                    - cache.getWriteTime());
            if (cache.getExpireTime() > timoutTime) {
                continue;
            }
            System.out.println(" 清除过期缓存 : " + key);
            //清除过期缓存
            concurrentHashMap.remove(key);
        }
    }
}

上面是主要代码,完整的代码我已经上传至 GitHub

本文从实现本地缓存的设计角度,一起简单的探讨了一下实现本地缓存需要注意的地方,其实这些也是缓存的核心技术,不管是 Redis、Guava Cache 还是 EHcache或者其他缓存工具,它们在实现原理上,跟我们本地缓存的实现原理都差不多。只要我们理解了本地缓存的实现原理,在去学习这些缓存工具,我相信还是会比较轻松的。

文章不足之处,望大家多多指点,共同学习,共同进步

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTM4ODI0OA==&mid=2247483895&idx=1&sn=e9b00d98d6ca14cd73ce9ceddd5163ef&chksm=e8013240df76bb5611842dfe73c2e443ce1f107981f1e9fe59cf48617548a6c95bc38b871ea0&token=1163732722&lang=zh_CN#rd

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