缓存深入理解

对于缓存大家都不会陌生，但如何正确和合理的使用缓存还是需要一定的思考，本文将基于Java技术栈对缓存做一个相对详细的介绍，内容分为基本概念、本地缓存、远程缓存和分布式缓存集群几个部分，重点在于理解缓存的相关概念，愿合理的使用Cache如下图的妹子一样美好。

基本概念

缓存是计算机系统中必不可少的一种解决性能问题的方法，常见的应用包括CPU缓存、操作系统缓存、本地缓存、分布式缓存、HTTP缓存、数据库缓存等。其核心就是用空间换时间，通过分配一块高速存储区域（一般来说是内存）来提高数据的读写效率，实现的难点就在于清空策略的实现，比较合理的思路就是定时回收与即时判断数据是否过期相结合。

缓存相关概念

1. 命中率：命中率指请求次数与正确返回结果次数的比例，其影响因素包括数据实时性，如果股票类实时性要求很高的数据，缓存的命中率会很低；缓存粒度问题， 如果KEY值包含的条件太多，会出现缓存命中率特别低的情况。通常来说，提高缓存命中率的方法包括增大缓存空间的大小的；对热点数据进行实时更新；调整缓存KEY的算法，保证缓存KEY的细粒度，如key-value；根据业务需要合理调整缓存的过期策略。
2. 最大元素：缓存中可以存放的元素的最大数量。
3. 清空策略包括FIFO，最先进入缓存的数据在空间不够时会被优先清理；LFU一直以来最少被使用的元素会被清理，可以给缓存元素设置一个计数器实现；LRU最近最少使用的缓存元素会被清理，可以通过一个时间戳来讲最近未使用数据清除。
4. 预热策略包括全量预热，一开始就加载全部数据，适用于不怎么变化的数据（地区数据）；增量预热，查询不到时从数据源取出放入缓存。

Tip:
缓存在高并发场景下的常见问题

缓存相关问题

1. 缓存穿透：一般的缓存系统，都是按照key去缓存查询，如果不存在对应的value，就应该去后端系统查找（比如DB）。如果key对应的value是一定不存在的，并且对该key并发请求量很大，就会对后端系统造成很大的压力。这就叫做缓存穿透。解决方法包括将查询结果为空的情况也进行缓存，缓存时间设置短一点，并在该key对应的数据insert之后清理缓存；对一定不存在的key进行过滤。
2. 缓存雪崩
   当缓存服务器重启或者大量缓存集中在某一个时间段失效，这时会给后端系统(比如DB)带来很大压力。解决方案包括在缓存失效后，通过加锁或者队列来控制读数据库写缓存的线程数量，比如对某个key只允许一个线程查询数据和写缓存，其他线程等待；不同的key设置不同的过期时间，让缓存失效的时间点尽量均匀；做二级缓存，A1为原始缓存，A2为拷贝缓存，A1失效时，可以访问A2，A1缓存失效时间设置为短期，A2设置为长期。

分布式缓存系统的需要注意缓存一致性、缓存穿透和雪崩、缓存数据的清理等问题。可以通过锁解决一致性问题；为了提高缓存命中率，可以对缓存分层，分为全局缓存，二级缓存，他们是存在继承关系的，全局缓存可以有二级缓存来组成。为了保证系统的HA，缓存系统可以组合使用两套存储系统（memcache，redis）。缓存淘汰的策略包括定时去清理过期的缓存、判断过期时间来决定是否重新获取数据。

在java应用中通常由两类缓存，一类是进程内缓存，就是使用java应用虚拟机内存的缓存；另一个是进程外缓存，现在我们常用的各种分布式缓存。前者比较简单，而且在一个JVM中，快速且可用性高，但会存在多态负载均衡主机数据不一致的问题，因此适合最常用且不易变的数据。后者扩展性强，而且相关的方案多，比如Redis Cluster等。通常来说，从数据库读取一条数据需要10ms，从分布式缓存读取则只需要0.5ms左右，而本地缓存则只需要10μs，因此需要根据具体场景选出合适的方案。

Local缓存

Java的本地缓存很早就有了相关标准javax.cache，要求的特性包括原子操作、缓存读写、缓存事件监听器、数据统计等内容。实际工作中本地缓存主要用于特别频繁的稳定数据，不然的话带来的数据不一致会得不偿失。实践中，常使用Guava Cache，以及与Spring结合良好的EhCache.

Guava Cache

是一个全内存的本地缓存实现，它提供了线程安全的实现机制，简单易用，性能好。其创建方式包括cacheLoader和callable callback两种，前者针对整个cache，而后者比较灵活可以在get时指定。
CacheBuilder.newBuilder()方法创建cache时重要的几个方法如下所示，之后是一个简单的使用示例。
maximumSize(long)：设置容量大小，超过就开始回收。
expireAfterAccess(long, TimeUnit)：在这个时间段内没有被读/写访问，就会被回收。
expireAfterWrite(long, TimeUnit)：在这个时间段内没有被写访问，就会被回收 。
removalListener(RemovalListener)：监听事件，在元素被删除时，进行监听。

@Service
public class ConfigCenterServiceImpl implements ConfigCenterService {
	private final static long maximumSize = 20;
	/**
	 * 最大20个，过期时间为1天
	 */
	private Cache<String, Map<String, ConfigAppSettingDto>> cache = CacheBuilder.newBuilder().maximumSize(maximumSize)
			.expireAfterWrite(1, TimeUnit.DAYS).build();
	@Autowired
	private ConfigAppSettingDAO configAppSettingDAO;

	@Override
	public ConfigAppSettingDto getByTypeNameAndKey(String configType, String appID, String key) {
		Map<String, ConfigAppSettingDto> map = getByType(configType, appID);
		return map.get(key);
	}

	/************************** 辅助方法 ******************************/
	private Map<String, ConfigAppSettingDto> getByType(String configType, String appID) {
		try {
			return cache.get(configType, new Callable<Map<String, ConfigAppSettingDto>>() {
				@Override
				public Map<String, ConfigAppSettingDto> call() throws Exception {
					Map<String, ConfigAppSettingDto> result = Maps.newConcurrentMap();
					List<ConfigAppSetting> list = configAppSettingDAO.getByTypeName(configType, appID);
					if (null != list && !list.isEmpty()) {
						for (ConfigAppSetting item : list) {
							result.put(item.getAppkey(), new ConfigAppSettingDto(item.getAppkey(), item.getAppvalue(),
									item.getDescription()));
						}
					}
					return result;
				}
			});
		} catch (ExecutionException ex) {
			throw new BizException(300, "获取ConfigAppSetting配置信息失败");
		}
	}
}

EHCache

EHCache也是一个全内存的本地缓存实现，符合javax.cache JSR-107规范，被应用在Hibernate中，过去存在过期失效的缓存元素无法被GC掉，造成内存泄露的问题，其主要类型及使用示例如下所示。
Element：缓存的元素，它维护着一个键值对。
Cache：它是Ehcache的核心类，它有多个Element，并被CacheManager管理，实现了对缓存的逻辑操作行为。
CacheManager：Cache的容器对象，并管理着Cache的生命周期。

Spring Boot整合Ehcache示例

//maven配置
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>net.sf.ehcache</groupId>
    <artifactId>ehcache</artifactId>
</dependency>

//开启Cache
@SpringBootApplication
@EnableCaching
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}
//方式1
@CacheConfig(cacheNames = "users")
public interface UserRepository extends JpaRepository<User, Long> {
    @Cacheable
    User findByName(String name);
}
//方式2
@Service
public class CacheUserServiceImpl implements CacheUserService {
	@Autowired
	private UserMapper userMapper;
	@Override
	public List<User> getUsers() {
		return userMapper.findAll();
	}
	// Cacheable表示获取缓存,内容会存储在people中，包含两个Key-Value
	@Override
	@Cacheable(value = "people", key = "#name")
	public User getUser(String name) {
		return userMapper.findUserByName(name);
	}
	//put是存储
	@CachePut(value = "people", key = "#user.userid")
	public User save(User user) {
		User finalUser = userMapper.insert(user);
		return finalUser;
	}
	//Evict是删除
	@CacheEvict(value = "people")
	public void remove(Long id) {
		userMapper.delete(id);
	}
}
//在application.properties指定spring.cache.type=ehcache即可
//在src/main/resources中创建ehcache.xml
<ehcache xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:noNamespaceSchemaLocation="ehcache.xsd">
    <cache name="users"
           maxEntriesLocalHeap="100"
           timeToLiveSeconds="1200">
    </cache>
</ehcache>

ehcache官方文档

Remote缓存

常见的分布式缓存组件包括memcached，redis等。前者性能高效，使用方便，但功能相对单一，只支持字符串类型的数据，需要结合序列化协议，只能用作缓存。后者是目前最流行的缓存服务器，具有高效的存取速度，高并发的吞吐量，并且有丰富的数据类型，支持持久化。因此，应用场景非常多，包括数据缓存、分布式队列、分布式锁、消息中间件等。

Redis

Redis支持更丰富的数据结构， 例如 字符串（strings）， 散列（hashes）， 列表（lists）， 集合（sets）， 有序集合（sorted sets） 与范围查询， bitmaps， hyperloglogs 和 地理空间（geospatial） 索引半径查询。 此外，Redis 内置了 复制（replication），LUA脚本（Lua scripting）， LRU驱动事件（LRU eviction），事务（transactions） 和不同级别的 磁盘持久化（persistence）， 并通过 Redis哨兵（Sentinel）和自动 分区（Cluster）提供高可用性（high availability）。可以说Redis兼具了缓存系统和数据库的一些特性，因此有着丰富的应用场景。本文介绍Redis在Spring Boot中两个典型的应用场景。
场景1：数据缓存

//maven配置
<dependency>  
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>  
    <artifactId>spring-boot-starter-redis</artifactId>  
</dependency>

//application.properties配置
# Redis数据库索引（默认为0）
spring.redis.database=0  
# Redis服务器地址
spring.redis.host=localhost
# Redis服务器连接端口
spring.redis.port=6379  
# Redis服务器连接密码（默认为空）
spring.redis.password=  
# 连接池最大连接数
spring.redis.pool.max-active=8  
# 连接池最大阻塞等待时间（使用负值表示没有限制）
spring.redis.pool.max-wait=-1  
# 连接池中的最大空闲连接
spring.redis.pool.max-idle=8  
# 连接池中的最小空闲连接
spring.redis.pool.min-idle=0

//方法1
@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {
    @Autowired
    private JedisConnectionFactory jedisConnectionFactory;
    @Bean
    public RedisCacheManager cacheManager() {
        RedisCacheManager redisCacheManager = new RedisCacheManager(redisTemplate());
        return redisCacheManager;
    }
    @Bean
    public RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate() {
        RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<Object, Object>();
        redisTemplate.setConnectionFactory(jedisConnectionFactory);
        // 开启事务支持
        redisTemplate.setEnableTransactionSupport(true);
        // 使用String格式序列化缓存键
        StringRedisSerializer stringRedisSerializer = new StringRedisSerializer();
        redisTemplate.setKeySerializer(stringRedisSerializer);
        redisTemplate.setHashKeySerializer(stringRedisSerializer);
        return redisTemplate;
    }
}

//方法2,和之前Ehcache方式一致

场景2：共享Session

//maven配置
<dependency>
    <groupId>org.springframework.session</groupId>
    <artifactId>spring-session-data-redis</artifactId>
</dependency>
//Session配置
@Configuration
@EnableRedisHttpSession(maxInactiveIntervalInSeconds = 86400*)//
public class SessionConfig {
}
//示例
@RequestMapping("/session")
@RestController
public class SessionController {
	@Autowired
	private UserRepository userRepository;

	@RequestMapping("/user/{id}")
	public User getUser(@PathVariable Long id, HttpSession session) {
		User user = (User) session.getAttribute("user" + id);
		if (null == user) {
			user = userRepository.findOne(id);
			session.setAttribute("user" + id, user);
		}
		return user;
	}
}

tip:
Jedis的使用请见《大型分布式网站架构》学习笔记--02基础设施
Jedis的Github地址
Spring Redis默认使用JDK进行序列化和反序列化，因此被缓存对象需要实现java.io.Serializable接口，否则缓存出错。
过去写过一篇Redis快速入门，现在来看理解上还差的比较多，有些麻瓜。

Redis集群

实现包括如下3种方式，相对于传统的大客户端分片和代理模式，路由查询的方式比较新颖，具体解决方案推荐redis-cluster。
客户端分片:包括jedis在内的一些客户端，都实现了客户端分片机制。
基于代理的分片:Twemproxy、codis，客户端发送请求到一个代理，代理解析客户端的数据，将请求转发至正确的节点，然后将结果回复给客户端。
路由查询:Redis-cluster，将请求发送到任意节点，接收到请求的节点会将查询请求发送到正确的节点上执行，这个思路比较有意思。

Docker部署Redis主从

//1.获取redis
$docker pull  redis:3.2
//2.主从启动
$docker run -p 6379:6379 --name redis01 -v $PWD/data01:/data -v $PWD/config01:/usr/local/redis  -d redis:3.2 redis-server  --appendonly yes
//$docker start redis01 /usr/local/redis/redis.conf 
//先建立容器，再做好配置，之后根据配置启动(这部分细节上掌握的有些问题，比如需要先run，stop再start,如何合理的使用create?)
//配置到官网下载，docker中只需要修改appendonly yes, port xxxx
//修改从库02，03的配置redis.conf，添加slaveof xxx.xxx.xxx.xxx 6379， docker exec -ti redis01 /bin/bash
//docker run  -p 6380:6380  -v $PWD/config02:/usr/local/redis  -v $PWD/data02:/data --name redis02 -d redis:3.2 redis-server /usr/local/redis/redis.conf
docker run  -p 6380:6379  -v $PWD/config02:/usr/local/redis  -v $PWD/data02:/data --name redis02 -d redis:3.2 redis-server --slaveof  xxx.xxx.xxx.xxx 6379 --appendonly yes
docker run  -p 6381:6379  -v $PWD/config03:/usr/local/redis  -v $PWD/data03:/data --name redis03 -d redis:3.2 redis-server --slaveof  xxx.xxx.xxx.xxx 6379 --appendonly yes
//3.在每个库都启动哨兵进程，用于协调选举，需要添加sentinel.conf配置文件，地址为端口都为主库的信息，其中最后一个参数2为哨兵最低通过票数(设置为哨兵总数的超过半数即可)
sentinel monitor  redis01 xxx.xxx.xxx.xxx 6379 2 
//4.启动哨兵进程，/usr/local/bin/redis-sentinel /usr/local/redis/sentinel.conf --sentinel
//5.客户端连接，可以通过info replication查看情况
public static void main(String[] args) {  
    JedisPoolConfig poolconfig = new JedisPoolConfig();  
    poolconfig.setMaxIdle(30);  
    poolconfig.setMaxTotal(1000);  
    Set<String> sentinels = new HashSet<String>();  
    sentinels.add("xxxxxx:xxx");  
    JedisSentinelPool jedisSentinelPool = new JedisSentinelPool("master",   
            sentinels, poolconfig, 3000, "redispass");  
    HostAndPort currentHostMaster = jedisSentinelPool.getCurrentHostMaster();  
    System.out.println("currentHostMaster : " + currentHostMaster.getHost() + " port: "  + currentHostMaster.getPort());  
    Jedis resource = jedisSentinelPool.getResource();  
    resource.setDataSource(jedisSentinelPool);  
    String value = resource.get("aa");  
    System.out.println(value);  
    resource.close();  
}  

tip:
生产环境哨兵也需要做集群，避免单点故障，按照上面的方式启动多个哨兵进程即可，或者每个节点启动一个哨兵进程。
之后有空一定要把docker的compose模式学习好，进一步简化部署工作。
Redis Sentinel机制与用法
dockerhub-redis
Docker化高可用redis集群

Redis Cluster
Redis Cluster至少需要3个主库和3个从库，目前还需要Ruby编写相关脚本，接下来简单的了解下唯品会Redis cluster大规模生产实践，感谢唯品会的分享。
使用场景
唯品会经历了从客户端分片->代理分片->路由查询的三个阶段。redis cluster用作内存存储服务，帮助大数据实时推荐/ETL、风控、营销三大业务，其单个cluster集群在几十个GB到上TB级别内存存储量（很可怕）。作为后端应用的存储，数据来源包含Kafka --> Redis Cluster，Storm/Spark实时；Hive --> Redis Cluster， MapReduce程序；MySQL --> Redis Cluster，Java/C++程序。说实话，居然不是用于Cache功能，确实有些出人意料。
优点：无中心 架构；数据按照slot存储分布在多个redis实例上；增加slave做standby数据副本，用于failover，使集群快速恢复；实现故障auto failover；节点之间通过gossip协议交换状态信息；投票机制完成slave到master角色的提升。
缺点：client实现复杂，驱动要求实现smart client，缓存slots mapping信息并及时更新；目前仅JedisCluster相对成熟，异常处理部分还不完善，比如常见的“max redirect exception”；客户端的不成熟，影响应用的稳定性，提高开发难度。节点会因为某些原因发生阻塞(阻塞时间大于clutser-node-timeout），被判断下线。这种failover是没有必要，sentinel也存在这种切换场景。
Tip:
推荐一个国内的Redis中文网，内容有很高的借鉴价值。

参考资料
Spring整合Ehcache管理缓存
LocalCache本地缓存分享
以Spring整合EhCache为例从根本上了解Spring缓存这件事
Guava学习笔记：Guava cache
Spring Boot中的缓存支持（一）注解配置与EhCache使用
Spring Boot中Redis的使用
Redis的两个典型应用场景
Redis集群方案总结
Redis cluster官方文档