1- 緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)

應(yīng)用程序通常使用緩存來(lái)提高系統(tǒng)系能，特別是對(duì)于只讀事務(wù)來(lái)說(shuō)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)筹裕，這些應(yīng)用程序會(huì)直接更新數(shù)據(jù)庫(kù)醋闭。問(wèn)題在于隨著負(fù)載的增加，響應(yīng)時(shí)間將會(huì)增加朝卒，響應(yīng)時(shí)間將隨著更新的增長(zhǎng)而延長(zhǎng)证逻。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)其實(shí)并不擅長(zhǎng)大量處理少量記錄的并發(fā)事務(wù)（多而分散），處理批量事務(wù)才是數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)項(xiàng)（少而集中）抗斤。

1.1- 緩存更新的必要性

由于硬件內(nèi)存空間的限制囚企，以及滿足JVM的空余內(nèi)存空間的限制，內(nèi)存中緩存的數(shù)據(jù)的上限是一定的豪治，所以需要不停的釋放舊數(shù)據(jù)洞拨，才能持續(xù)不斷的加載數(shù)據(jù)到內(nèi)存

1.2- 緩存的實(shí)現(xiàn)方式

JVM 堆內(nèi)存的實(shí)現(xiàn) 基于SoftReference或者WeakReference

使用堆內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的方式，其緩存大小受制于JVM堆空間的大小

內(nèi)存服務(wù)器如Redis

不受JVM堆內(nèi)存大小的限制负拟，但是受制于操作系統(tǒng)總的內(nèi)存大小的限制。

2- 緩存更新的設(shè)計(jì)模式

當(dāng)數(shù)據(jù)時(shí)效性要求很高時(shí)歹河，需要保證緩存中的數(shù)據(jù)與緩存中的保持一致掩浙，而且需要保證緩存節(jié)點(diǎn)和副本中的數(shù)據(jù)也保持一致，不能出現(xiàn)差異現(xiàn)象秸歧。這就比較依賴緩存的過(guò)期和更新策略厨姚。一般會(huì)在數(shù)據(jù)發(fā)生更改的時(shí)，主動(dòng)更新緩存中的數(shù)據(jù)或者移除對(duì)應(yīng)的緩存键菱。

2.1- 引子：在更新緩存時(shí)谬墙，到底是，先刪除緩存经备，然后再更新數(shù)據(jù)庫(kù)拭抬，還是先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再刪除緩存侵蒙？

1. 先刪后更：考慮并發(fā)的情況（只讀緩存）：兩個(gè)并發(fā)請(qǐng)求造虎，一個(gè)是要更新操作，另一個(gè)是查詢操作纷闺，更新操作會(huì)致使當(dāng)前緩存失效算凿，刪除緩存后；這時(shí)查詢操作沒(méi)有命中緩存犁功，就會(huì)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)放到緩存中氓轰，然后更新操作更新了數(shù)據(jù)庫(kù)。于是此時(shí)緩存中數(shù)據(jù)并不是更新操作的新值浸卦，而是原來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中的值署鸡。所以說(shuō)這種更新策略是錯(cuò)誤的。
2. 先更后刪：如果更新數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，正好有讀請(qǐng)求到達(dá)储玫，此時(shí)讀到的數(shù)據(jù)將是臟數(shù)據(jù)侍筛，但是當(dāng)更新完數(shù)據(jù)庫(kù)，會(huì)刪除舊的緩存撒穷，等下次讀請(qǐng)求到達(dá)時(shí)匣椰，沒(méi)有命中緩存，會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)重新load到內(nèi)存中端礼，保證只出現(xiàn)因此臟數(shù)據(jù)禽笑，之后都是正確的數(shù)據(jù)。

以下將介紹四種緩存更新的四種設(shè)計(jì)模式蛤奥，遵循最佳實(shí)踐少走彎路

Cache Aside Pattern（常用）

• 失效：程序先從緩存中讀數(shù)據(jù)佳镜，沒(méi)有命中緩存，則程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中l(wèi)oad到內(nèi)存中凡桥。
• 命中：程序先從緩存中讀數(shù)據(jù)蟀伸，正好命中緩存，則程序?qū)⒕彺嬷械臄?shù)組直接返回缅刽。
• 更新：程序?qū)懖僮飨劝褦?shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中啊掏，成功后，程序再讓緩存失效衰猛。（可能會(huì)出現(xiàn)幾次臟讀）

Read/Write Through Pattern（讀寫(xiě)穿透模式）

Cache Aside模式中迟蜜，同是要維護(hù)兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一個(gè)是緩存啡省，一個(gè)是數(shù)據(jù)庫(kù)娜睛。所以比較啰嗦。而 Read/Write Through模式是將把數(shù)據(jù)庫(kù)的操作由緩存自己代理了卦睹，所以就將緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)的操作合并在一次畦戒，對(duì)于數(shù)據(jù)訪問(wèn)來(lái)說(shuō)面對(duì)的是單一存儲(chǔ)，所以對(duì)于存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)要同時(shí)維護(hù)自己的緩存分预。

Read Through

讀操作中更新緩存：用緩存服務(wù)自己加載兢交，對(duì)程序調(diào)用來(lái)說(shuō)是透明的（不許要像Cache Aside模式程序還要自己加載數(shù)據(jù)到緩存），當(dāng)讀操作沒(méi)有命中緩存時(shí)將觸發(fā)Read Through

Write Through

寫(xiě)操作中更新緩存：當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)笼痹，如果沒(méi)有命中緩存配喳，直接更新數(shù)據(jù)庫(kù)，然后返回凳干。如果命中了緩存晴裹，則更新緩存，然后再由緩存自己更新數(shù)據(jù)庫(kù)（這是同步操作）

Write Behind Caching Pattern

在更新數(shù)據(jù)的時(shí)候救赐，只更新緩存涧团，不更新數(shù)據(jù)庫(kù)只磷，而我們的緩存會(huì)異步地批量更新數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)點(diǎn)是將緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)的同步異步化泌绣，帶來(lái)飛快的數(shù)據(jù)I/O操作钮追，而且可以將數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)合并，所以對(duì)性能的會(huì)有較大的顯著（特別是大數(shù)據(jù)量阿迈，數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)成為性能瓶頸你能過(guò)得時(shí)候）元媚，當(dāng)緩存需要失效的時(shí)候，才會(huì)真正的進(jìn)行持久化苗沧。

可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況：當(dāng)系統(tǒng)掉電刊棕，緩存中數(shù)據(jù)還沒(méi)有來(lái)得及寫(xiě)到數(shù)據(jù)庫(kù)，則會(huì)造成一定的數(shù)據(jù)丟失待逞，數(shù)據(jù)不是強(qiáng)一致的甥角。但是性能和強(qiáng)一致性往往需要權(quán)衡。

注意

1. 上面的緩存更新的設(shè)計(jì)模式還沒(méi)有考慮緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)的整體事務(wù)的問(wèn)題识樱，比如更新了緩存嗤无，但是數(shù)據(jù)庫(kù)更新失敗了怎么辦？或者數(shù)據(jù)庫(kù)更新失敗牺荠，但是緩存load失敗了怎么辦翁巍？解決方法是就是使用“兩階段提交協(xié)議”——prepare，commit/rollback休雌。當(dāng)然這樣保證數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性將導(dǎo)致性能的下降，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還需要權(quán)衡一下肝断。
2. 從上面的緩存更新的策略杈曲，也能看出來(lái)當(dāng)只是查詢數(shù)據(jù)時(shí)，緩存能抵擋絕大多數(shù)的DB查詢胸懈，但是如果都是插入或者修改的操作業(yè)務(wù)（如秒殺等）担扑，每一次都將命中DB，這時(shí)候?yàn)榱似交查g并發(fā)DB操作趣钱，應(yīng)該采用異步+消息隊(duì)列的形式涌献，或者使用Write Behind Caching Pattern。不管使用哪種方式首有，必須保證高可用燕垃，實(shí)時(shí)的將內(nèi)存操作的數(shù)據(jù)刷盤(pán)。

3- 緩存飽和替換策略

探討的是緩存中的數(shù)據(jù)達(dá)到緩存設(shè)定的內(nèi)存使用上限井联，新插入的數(shù)據(jù)時(shí)卜壕，替選擇什么樣的原來(lái)的舊數(shù)據(jù)來(lái)替換的問(wèn)題。

1. Least Frequently Used（LFU）

每個(gè)緩存對(duì)象計(jì)算他們被使用的頻率烙常，把最不常用的緩存對(duì)象替換掉轴捎。

2. Least Recently User（LRU）：

把最近最少使用的緩存對(duì)象給替換，實(shí)現(xiàn)上會(huì)把最新被訪問(wèn)的緩存對(duì)象，放到緩存隊(duì)列的頂部侦副，可基于array 或者是LinkedHashMap來(lái)實(shí)現(xiàn)侦锯。

3. Least Recently Used 2（LRU2）：

也叫最近最少使用 twice。把被兩次訪問(wèn)過(guò)的對(duì)象放入緩存隊(duì)列中秦驯，當(dāng)緩存池滿了之后尺碰，會(huì)把有兩次最少使用的緩存對(duì)象替換掉。因?yàn)樾枰檶?duì)象2次汇竭，訪問(wèn)負(fù)載就會(huì)隨著緩存池的增加而增加葱蝗。在大容量的緩存池中，就會(huì)有較高性能開(kāi)銷問(wèn)題细燎。另外两曼，還需要跟蹤那些不在緩存的對(duì)象，因?yàn)樗麄冞€沒(méi)有被第二次讀取玻驻。效果比LRU好悼凑，但是性能開(kāi)銷也大。

4. Two Queues（2Q）：

把被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)放到 LRU 的緩存中璧瞬，如果這個(gè)對(duì)象再一次被訪問(wèn)户辫，我就把他轉(zhuǎn)移到第二個(gè)、更大的 LRU 緩存嗤锉。轉(zhuǎn)移緩存對(duì)象是為了保持第一個(gè)緩存池是第二個(gè)緩存池的1/3渔欢。當(dāng)緩存的訪問(wèn)負(fù)載是固定的時(shí)候，把 LRU 換成 LRU2瘟忱，就比增加緩存的容量更好奥额。這種機(jī)制使得我比 LRU2 更好，改善了LRU2的性能访诱。

5. Adaptive Replacement Cache（ARC）：

介于 LRU 和 LFU 之間垫挨，為了提高效果。由2個(gè) LRU 組成： L1触菜，包含的條目是最近只被使用過(guò)一次的九榔； L2，包含的是最近被使用過(guò)兩次的條目涡相。因此哲泊， L1 放的是新的對(duì)象，而 L2 放的是常用的對(duì)象漾峡。被認(rèn)為是性能最好的緩存算法之一攻旦，能夠自調(diào)，并且是低負(fù)載的生逸、很快牢屋，適用性也強(qiáng)且预。

6. Most Recently Used（MRU）：

和 LRU 相對(duì)應(yīng)會(huì)移除最近最多被使用的對(duì)象。作用：接下來(lái)訪問(wèn)的隨機(jī)性烙无，并且在緩存系統(tǒng)中找出最少最近使用的對(duì)象是一項(xiàng)時(shí)間復(fù)雜度非常高的運(yùn)算锋谐，這就是MRU存在的原因。

7. First in First out（FIFO）：

先進(jìn)先出截酷，是一個(gè)低負(fù)載的算法涮拗，并且對(duì)緩存對(duì)象的管理要求不高。通過(guò)一個(gè)隊(duì)列去跟蹤所有的緩存對(duì)象迂苛，最近最常用的緩存對(duì)象放在后面三热，而更早的緩存對(duì)象放在前面，當(dāng)緩存容量滿時(shí)三幻，排在前面的緩存對(duì)象會(huì)被替換就漾，然后把新的緩存對(duì)象加進(jìn)去。很快念搬，但是并不適用抑堡。

8. Second Chance：

通過(guò) FIFO 修改而來(lái)的，改善了 FIFO 的成本朗徊。在替換緩存首妖，移除隊(duì)首元素式，會(huì)檢查即將要被移除的對(duì)象有沒(méi)有之前被使用過(guò)的標(biāo)志（1一個(gè) bit 表示）爷恳，沒(méi)有被使用過(guò)有缆，就把他移除；否則温亲，會(huì)把這個(gè)標(biāo)志位清除妒貌，然后把這個(gè)緩存對(duì)象當(dāng)做新增緩存對(duì)象加入隊(duì)列。這就像一個(gè)環(huán)隊(duì)列铸豁。當(dāng)再一次在隊(duì)頭碰到這個(gè)對(duì)象時(shí)，由于他已經(jīng)沒(méi)有這個(gè)標(biāo)志位了菊碟，所以立刻就把他踢開(kāi)了节芥，在速度上比 FIFO 快。

9. CLock

持有一個(gè)裝有緩存對(duì)象的環(huán)形列表逆害，頭指針指向列表中最老的緩存對(duì)象头镊。當(dāng)緩存 miss 發(fā)生并且沒(méi)有新的緩存空間時(shí)，會(huì)問(wèn)問(wèn)指針指向的緩存對(duì)象的標(biāo)志位去決定應(yīng)該怎么做魄幕。如果標(biāo)志是0相艇，我會(huì)直接用新的緩存對(duì)象替代這個(gè)緩存對(duì)象；如果標(biāo)志位是1纯陨，會(huì)把頭指針遞增坛芽，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程留储，直到新的緩存對(duì)象能夠被放入，比 second chance 更快咙轩。

10. Simple time-based：

通過(guò)絕對(duì)的時(shí)間周期去失效那些緩存對(duì)象获讳。對(duì)于新增的對(duì)象，會(huì)保存特定的時(shí)間活喊。很快丐膝，但是并不適用。

11. Extended time-based expiration：

通過(guò)相對(duì)時(shí)間去失效緩存對(duì)象的钾菊；對(duì)于新增的緩存對(duì)象帅矗，會(huì)保存特定的時(shí)間，比如是每5分鐘煞烫，每天的12點(diǎn)浑此。

12. Sliding time-based expiration：

與前面不同的是，被管理的緩存對(duì)象的生命起點(diǎn)是在這個(gè)緩存的最后被訪問(wèn)時(shí)間算起的红竭，很快尤勋，但是也不太適用。

其他需要注意的：

1. 成本：如果緩存對(duì)象有不同的成本茵宪，應(yīng)該把那些難以獲得的對(duì)象保存下來(lái)最冰。

2. 容量：如果緩存對(duì)象有不同的大小，應(yīng)該把那些大的緩存對(duì)象清除稀火，這樣就可以讓更多的小緩存對(duì)象進(jìn)來(lái)了暖哨。