【架构设计】多级缓存：应用案例与问题解决策略

多级缓存系统的工作原理及其在提升应用性能方面的关键作用。通过对比本地缓存与分布式缓存的特点 | 原创作者/编辑：凯哥Java | 分类：架构设计系列教程

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多级缓存系统：提升性能的关键策略

多级缓存系统作为性能优化的重要组成部分，通过在不同层级存储数据，有效提升了应用程序的响应速度。这种策略主要包括本地缓存和分布式缓存两大组成部分。

本文原创：凯哥就Java(kaigejava)

工作机制

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多级缓存运行机制

当业务请求发起时，系统首先会在本地缓存（如使用Caffeine或Guava Cache）中查找所需数据。若未能找到，则会进一步查询分布式缓存（通常基于Redis）。一旦数据被检索到，便会同时存储在本地缓存中，随后返回给客户端。

本地缓存中的数据具有一定的存活周期，当数据过期后，系统会再次从分布式缓存中加载最新信息。这一过程不仅提高了数据访问速度，还减轻了后端存储系统的压力。

价值与挑战

本地缓存与分布式缓存的主要目标是优化程序性能，减少对底层数据存储的依赖。两者各具特色：

本地缓存：

• 优势：由于存储在应用程序内部，因此具有最快的访问速度，便于管理和使用。
• 局限性：由于数据只存在于单个实例中，当应用重启时，缓存数据会丢失；此外，其存储容量也受限于进程可用的内存大小。

分布式缓存：

• 优势：允许多个实例共享同一份缓存数据，具备更大的存储空间和更好的可扩展性。
• 局限性：虽然提供了更高的灵活性，但在速度上略逊于本地缓存，并且需要额外考虑数据一致性和故障恢复的问题。

保障本地缓存一致性

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多级缓存同步流程图

为确保本地缓存的数据与实际数据保持一致，有几种方法可供选择：

1. 版本控制：通过为每条数据添加版本标识符，在数据发生变化时更新版本号，并同步至数据库。
2. 变更通知：利用配置中心或消息队列（MQ）广播更新信息，促使其它节点重新加载缓存数据。

对于那些不需要立即一致性的场景，可以通过设置本地缓存的自动失效或定期刷新机制来实现最终一致性。

最终一致性代码：

// 访问后5秒过期---自动失效

Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().expireAfterAccess(5, TimeUnit.SECONDS).build();


// 写入后5秒过期，重新加载缓存---自动更新

Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().refreshAfterWrite(5, TimeUnit.SECONDS).build(new CacheLoader<String, String>() {

    @Override

    public @Nullable String load(String s) throws Exception {

        // 查询数据库或分布式缓存重新获取缓存值

        return "";

    }

});

适用场景分析

在决定是否使用本地缓存时，应考虑以下几个方面：

• 数据变动频率：对于极少变动的数据，本地缓存是一个理想的选择；反之，则可能不合适。
• 可容忍的数据不一致期限：根据业务要求设定合理的缓存过期时间。

扩展视角下的多级缓存

除了本地和分布式缓存之外，还有其他形式的缓存方案可用于性能优化，如客户端缓存、CDN缓存及Nginx缓存等。客户端缓存可用于存储常量数据，减少向服务器发起请求的次数；CDN缓存则适用于加速前端资源的分发；而在没有CDN的情况下，Nginx缓存则作为补充，提供静态资源的快速访问。

结论：多级缓存策略不仅是提升系统性能的有效途径，更是现代软件架构不可或缺的一部分。正确地设计和实施缓存系统，能够极大地改善用户体验，降低基础设施的成本。