内容简介：应用级缓存——《亿级流量》
缓存简介
缓存，笔者的理解是让数据更接近于使用者，目的是让访问速度更多。工作机制是先从缓存中读取数据，如果没有，则再从慢速设备上读取实际数据并同步到缓存。那些经常读取的数据、频繁访问的数据、热点数据、IO瓶颈数据、计算昂贵的数据、符合五分钟法则和局部性原理的数据都可以进行缓存。如CPU→L1/L2/L3→内存→磁盘就是一个典型的例子，CPU需要数据时先从L1读取，如果没有找到，则查找L2/L3读取，如果没有，则到内存中查找，如果还没有，则会到磁盘中查找。还有比如用过Maven的朋友都应该知道，加载依赖的时候，先从本机仓库找，再从本地服务器仓库找，最后到远程仓库服务器找。还有如京东的物流为什么那么快？他们在各地都有分仓库，如果该仓库有货物，那么送货的速度是非常快的。
本文以 Java 应用缓存为示例进行讲解。
缓存命中率
缓存命中率是从缓存中读取数据的次数与总读取次数的比率，命中率越高越好。缓存命中率 = 从缓存中读取次数/〔总读取次数（从缓存中读取次数 + 从慢速设备上读取的次数）〕。这是一个非常重要的监控指标，如果做缓存，则应通过监控这个指标来看缓存是否工作良好。
缓存回收策略
1 基于空间
即设置缓存的存储空间，如设置为10MB，当达到存储空间时，按照一定的策略移除数据。
2 基于容量
基于容量指缓存设置了最大大小，当缓存的条目超过最大大小，则按照一定的策略将旧数据移除。
3 基于时间
TTL（Time To Live ）：存活期，即缓存数据从缓存中创建时间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，即缓存数据多久没被访问过将从缓存中移除的时间。
4 基于Java对象引用
软引用：如果一个对象是软引用，那么当JVM堆内存不足时，垃圾回收器可以回收这些对象。软引用适合用来做缓存，从而当JVM堆内存不足时，可以回收这些对象腾出一些空间供强引用对象使用，从而避免OOM。
弱引用：当垃圾回收器回收内存时，如果发现弱引用，则将立即回收它。相对于软引用有更短的生命周期。
注意：弱引用/软引用对象只有当没有其他强引用对象引用它时，垃圾回收时才回收该引用。即如果有一个对象（不是弱引用/软引用）引用了弱引用/软引用对象，那么垃圾回收时不会回收该引用对象。
5 回收算法
使用基于空间和基于容量的会使用一定的策略移除旧数据，常见的如下。
FIFO（First In First Out）：先进先出算法，即先放入缓存的先被移除。
LRU（Least Recently Used）：最近最少使用算法，使用时间距离现在最久的那个被移除。
LFU（Least Frequently Used）：最不常用算法，一定时间段内使用次数（频率）最少的那个被移除。
实际应用中基于LRU的缓存居多，如Guava Cache、Ehcache支持LRU。
Java缓存类型
堆缓存：使用Java堆内存来存储缓存对象。使用堆缓存的好处是没有序列化/反序列化，是最快的缓存。缺点也很明显，当缓存的数据量很大时， GC暂停时间会变长，存储容量受限于堆空间大小。一般通过软引用/弱引用来存储缓存对象，即当堆内存不足时，可以强制回收这部分内存释放堆内存空间。一般使用堆缓存存储较热的数据。可以使用Guava Cache、Ehcache 3.x、MapDB实现。
堆外缓存：即缓存数据存储在堆外内存，可以减少GC暂停时间（堆对象转移到堆外，GC扫描和移动的对象变少了），可以支持更大的缓存空间（只受机器内存大小限制，不受堆空间的影响）。但是，读取数据时需要序列化/反序列化，因此，会比堆缓存慢很多。可以使用Ehcache 3.x、MapDB实现。
磁盘缓存：即缓存数据的存储在磁盘上，当JVM重启时数据还是在的。而堆缓存/堆外缓存重启时数据会丢失，需要重新加载。可以使用Ehcache 3.x、MapDB实现。
分布式缓存：上文提到的缓存是进程内缓存和磁盘缓存，在多JVM实例的情况时，会存在两个问题：1．单机容量问题；2．数据一致性问题（多台JVM实例的缓存数据不一致怎么办），不过，这个问题不用太纠结，既然数据允许缓存，则表示允许一定时间内的不一致，因此，可以设置缓存数据的过期时间来定期更新数据；3．缓存不命中时，需要回源到DB/服务查询变多：每个实例在缓存不命中情况下都会回源到DB加载数据，因此，多实例后DB整体的访问量就变多了，解决办法可以使用如一致性哈希分片算法来解决。因此，这些情况可以考虑使用分布式缓存来解决。可以使用ehcache-clustered（配合Terracotta server）实现Java进程间分布式缓存。当然也可以使用如 Redis 实现分布式缓存。
两种模式如下。
● 单机时 ：存储最热的数据到堆缓存，相对热的数据到堆外缓存，不热的数据存到磁盘缓存。
● 集群时 ：存储最热的数据到堆缓存，相对热的数据到堆外缓存，全量数据存到分布式缓存。
接下来，我们看看如何在Java中使用堆缓存、堆外缓存、磁盘缓存、分布式缓存，是不是感觉像L1、L2、L3级缓存架构。
Guava Cache只提供堆缓存，小巧灵活，性能最好，如果只使用堆缓存，那么使用它就够了。
EhCache3.x提供了堆缓存、堆外缓存、磁盘缓存、分布式缓存。但是，其代码注释比较少，API还不完善（比如，2.x支持LRU、LFU、FIFO，而3.x目前还没有API设置），功能还不完善（比如，集群情况个人测试其暂时不可以生产环境使用），如果需要较稳定的API和功能，则请考虑使用EhCache2.x（不支持堆外缓存）。
MapDB是一款嵌入式Java数据库引擎和集合框架。提供了Maps、Sets、Lists、Queues、Bitmaps的支持，还支持ACID事务，增量备份。支持堆缓存、堆外缓存、磁盘缓存。
1 堆缓存
Gauva Cache实现
Cache<String, String> myCache=
CacheBuilder.newBuilder()
.concurrencyLevel(4)
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.maximumSize(10000)
.build();
然后可以通过put、getIfPresent来读写缓存。CacheBuilder有几类参数：缓存回收策略、并发设置、统计命中率等。
1．缓存回收策略/基于容量
maximumSize：设置缓存的容量，当超出maximumSize时，按照LRU进行缓存回收。
2．缓存回收策略/基于时间
expireAfterWrite：设置TTL，缓存数据在给定的时间内没有写（创建/覆盖）时，则被回收，即定期的会回收缓存数据。
expireAfterAccess：设置TTI，缓存数据在给定的时间内没有读/写时，则被回收。每次访问时，都会更新它的TTI，从而如果该缓存是非常热的数据，则将一直不过期，可能会导致脏数据存在很长时间（因此，建议设置expireAfterWrite）。
3．缓存回收策略/基于Java对象引用
weakKeys/weakValues：设置弱引用缓存。
softValues：设置软引用缓存。
4．缓存回收策略/主动失效
invalidate(Object key)/ invalidateAll(Iterable<?>keys)/invalidateAll()：主动失效某些缓存数据。
什么时候触发失效呢？Guava Cache不会在缓存数据失效时立即触发回收操作（如果要这么做，则需要有额外的线程来进行清理），是在PUT时会主动进行一次清理缓存，当然读者也可以根据实际业务通过自己设计线程来调用cleanUp方法进行清理。
5．并发级别
concurrencyLevel：Guava Cache重写了ConcurrentHashMap，concurrencyLevel用来设置Segment数量，concurrencyLevel越大并发能力越强。
6．统计命中率
recordStats：启动记录统计信息，比如命中率等。
7．EhCache 3.x实现
本文使用最新的Ehcache3.1.2，目前Ehcache3.x版本还比较新，一些文档还不是很全。
CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder. newCacheManagerBuilder(). build(true);
CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.heap(100, EntryUnit.ENTRIES))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)));
Cache<String, String> myCache = cacheManager.createCache("myCache",cacheConfig);
CacheManager在JVM关闭时请调用CacheManager.close()方法。 可以通过PUT、GET来读写缓存。CacheConfigurationBuilder也有几类参数：缓存回收策略、并发设置、统计命中率等。
8．缓存回收策略/基于容量
heap(100, EntryUnit.ENTRIES)：设置缓存的条目数量，当超出此数量时按照LRU进行缓存回收。
9．缓存回收策略/基于空间
heap(100, MemoryUnit.MB)：设置缓存的内存空间，当超出此空间时按照LRU进行缓存回收。另外，应该设置withSizeOfMaxObjectGraph(2)：统计对象大小时对象图遍历深度和withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB)：可缓存的最大对象大小。
10．缓存回收策略/基于时间
withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))：设置TTL，没有TTI。
withExpiry(Expirations.timeToIdleExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))：同时设置TTL和TTI，且TTL和TTI值一样。
11．缓存回收策略/主动失效
remove(K key)/ removeAll(Set<? extends K> keys)/clear()：主动失效某些缓存数据。
什么时候触发失效呢？EhCache使用了类似于Guava Cache同样的机制。
12．并发级别
目前还没有提供API来设置，EhCache内部使用ConcurrentHashMap作为缓存存储，默认并发级别16。withDispatcherConcurrency是用来设置事件分发时的并发级别。
13．统计命中率
目前还没有开放API来统计。
MapDB 3.x实现
HTreeMap myCache =
DBMaker.heapDB().concurrencyScale(16).make().hashMap("myCache")
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10,TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.create();
然后可以通过PUT、GET来读写缓存。其有几类参数：缓存回收策略、并发设置、统计命中率等。
1．缓存回收策略/基于容量
expireMaxSize：设置缓存的容量，当超出expireMaxSize时，按照LRU进行缓存回收。
2．缓存回收策略/基于时间
expireAfterCreate/expireAfterUpdate：设置TTL，缓存数据在给定的时间内没有写（创建/覆盖）时，则被回收。即定期的会回收缓存数据。
expireAfterGet：设置TTI， 缓存数据在给定的时间内没有读/写时，则被回收。每次访问时都会更新它的TTI，从而如果该缓存是非常热的数据，则将一直不过期，可能会导致脏数据存在很长的时间（因此，建议要设置expireAfterCreate/expireAfterUpdate）。
3．缓存回收策略/主动失效
remove(Object key) /clear()：主动失效某些缓存数据。
什么时候触发失效呢？MapDB默认使用类似于Guava Cache的机制。不过，也支持可以通过如下配置使用线程池定期进行缓存失效。
.expireExecutor(scheduledExecutorService)
.expireExecutorPeriod(3000)
4．并发级别
concurrencyScale：类似于Guava Cache配置。
5．统计命中率
暂无。
还可以使用DBMaker.memoryDB()创建堆缓存，它将数据序列化并存储到1MB大小的byte[]数组中，从而减少垃圾回收的影响。
2 堆外缓存
EhCache 3.x实现
CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.offheap(100, MemoryUnit.MB))
.withDispatcherConcurrency(4)
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS)))
.withSizeOfMaxObjectGraph(3)
.withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB);
堆外缓存不支持基于容量的缓存过期策略。
MapDB 3.x实现
HTreeMap myCache =
DBMaker.memoryDirectDB().concurrencyScale(16).make().hashMap("myCache")
.expireStoreSize(64 * 1024 * 1024) //指定堆外缓存大小64MB
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.create();
在使用堆外缓存时，请记得添加JVM启动参数，如-XX:MaxDirectMemorySize=10G。
3 磁盘缓存
EhCache 3.x实现
CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder. newCacheManagerBuilder()
//默认线程池
.using(PooledExecutionServiceConfigurationBuilder.newPooledExecutionServiceConfigurationBuilder().defaultPool("default",1, 10).build())
//磁盘文件存储位置
.with(new CacheManagerPersistenceConfiguration(newFile("D:\\bak")))
.build(true);
CacheConfigurationBuilder<String, String> cacheConfig= CacheConfigurationBuilder. newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
.disk(100, MemoryUnit.MB,true)) //磁盘缓存
.withDiskStoreThreadPool("default", 5) //使用"default"线程池进行dump文件到磁盘
.withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(50,TimeUnit.SECONDS)))
.withSizeOfMaxObjectGraph(3)
.withSizeOfMaxObjectSize(1, MemoryUnit.KB);
在JVM停止时，记得调用cacheManager.close()，从而保证内存数据能dump到磁盘。
MapDB 3.x实现
DB db = DBMaker
.fileDB("D:\\bak\\a.data")//数据存哪里
.fileMmapEnable() //启用mmap
.fileMmapEnableIfSupported() //在支持的平台上启用mmap
.fileMmapPreclearDisable() //让mmap文件更快
.cleanerHackEnable() //一些BUG处理
.transactionEnable() //启用事务
.closeOnJvmShutdown()
.concurrencyScale(16)
.make();
HTreeMap myCache = db.hashMap("myCache")
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.createOrOpen();
因为开启了事务，MapDB则开启了WAL。另外，操作完缓存后记得调用db.commit方法提交事务。
myCache.put("key" + counterWriter,"value" + counterWriter);
db.commit();
4 分布式缓存
本文使用Ehcache 3.1+ Terracottaserver 实现，Ehcache 3.1引入了一个下载套件，其包含了Terracotta Server。
调用start-tc-server脚本启动tc server。
1．架构
Terracotta Server配置
<?xml version="1.0"encoding="UTF-8"?>
<tc-configxmlns="http://www.terracotta.org/config"
xmlns:ohr="http://www.terracotta.org/config/offheap-resource">
<servers>
<server host="192.168.147.50" name="s1">
<tsa-port>9510</tsa-port>
<tsa-group-port>9530</tsa-group-port>
</server>
<server host="192.168.147.52" name="s2">
<tsa-port>9510</tsa-port>
<tsa-group-port>9530</tsa-group-port>
</server>
<client-reconnect-window>30</client-reconnect-window>
<restartable enabled="true"/>
</servers>
<services>
<service id="resources">
<ohr:offheap-resources>
<ohr:resource name="cache"unit="MB">64</ohr:resource>
</ohr:offheap-resources>
</service>
</services>
</tc-config>
配置了两个tc server，其中一主一备。在两台服务器中分别调用如下脚本启动两台tc server。
./start-tc-server.sh -f tc-config.xml -n s1
./start-tc-server.sh -f tc-config.xml -n s2
2．EhCache代码片段
CacheManagerBuilder<PersistentCacheManager> clusteredCacheManagerBuilder=
CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder()
.with(ClusteringServiceConfigurationBuilder.cluster(URI.create("terracotta://192.168.147.50:9510")).readOperationTimeout(500,TimeUnit.MILLISECONDS).autoCreate());
final PersistentCacheManager cacheManager =clusteredCacheManagerBuilder. build(true);
Cache<String, String> myCache = cacheManager.createCache("myCache",
CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(
String.class,
String.class,
ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder().with(ClusteredResourcePoolBuilder.clusteredDedicated("cache",32, MemoryUnit.MB)))
.withDispatcherConcurrency(4).withExpiry(Expirations.timeToLiveExpiration(Duration.of(10,TimeUnit.SECONDS))));
可以看到一个问题，此处只指定了IP为192.168.147.50这台机器的tc-server，那么当50这台机器挂了，目前是不能自动连接到52机器的。不知道未来是否会支持。或者考虑使用其主打产品BigMemory（付费）。
对于分布式缓存个人还是喜欢使用Redis之类的，性能也非常好，有主从模式、集群模式。目前不建议使用Ehcache3.1+ Terracottaserver 组合。
5 多级缓存
如先查找堆缓存，如果没有查找磁盘缓存，则使用MapDB可以通过如下配置实现。
HTreeMap diskCache = db.hashMap("myCache")
.expireStoreSize(8 * 1024 * 1024 * 1024)
.expireMaxSize(10000)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.createOrOpen();
HTreeMap heapCache = db.hashMap("myCache")
.expireMaxSize(100)
.expireAfterCreate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterUpdate(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireAfterGet(10, TimeUnit.SECONDS)
.expireOverflow(diskCache) //当缓存溢出时存储到disk
.createOrOpen();
对于更复杂的多级缓存请参考“第11章 多级缓存”。
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gitchat谢工邀请我做一场chat很久了，一直没有什么好的题材，没有去做这件事情。上周末想到一个关于写书的主题，分享给大家，主题是“如何开始写一本属于自己的技术书”，希望能对那些想写书的朋友有用。
以上所述就是小编给大家介绍的《应用级缓存——《亿级流量》》，希望对大家有所帮助，如果大家有任何疑问请给我留言，小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持！
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