原創(chuàng)：微信公眾號 碼農(nóng)參上，歡迎分享悯蝉，轉(zhuǎn)載請保留出處归形。

在高性能的服務(wù)架構(gòu)設(shè)計中，緩存是一個不可或缺的環(huán)節(jié)鼻由。在實際的項目中暇榴，我們通常會將一些熱點數(shù)據(jù)存儲到Redis或MemCache這類緩存中間件中，只有當緩存的訪問沒有命中時再查詢數(shù)據(jù)庫蕉世。在提升訪問速度的同時蔼紧，也能降低數(shù)據(jù)庫的壓力。

隨著不斷的發(fā)展狠轻，這一架構(gòu)也產(chǎn)生了改進奸例，在一些場景下可能單純使用Redis類的遠程緩存已經(jīng)不夠了，還需要進一步配合本地緩存使用向楼，例如Guava cache或Caffeine查吊，從而再次提升程序的響應(yīng)速度與服務(wù)性能。于是湖蜕，就產(chǎn)生了使用本地緩存作為一級緩存逻卖，再加上遠程緩存作為二級緩存的兩級緩存架構(gòu)。

在先不考慮并發(fā)等復(fù)雜問題的情況下重荠，兩級緩存的訪問流程可以用下面這張圖來表示：

[圖片上傳失敗...(image-bf739e-1648427675508)]

優(yōu)點與問題

那么，使用兩級緩存相比單純使用遠程緩存虚茶，具有什么優(yōu)勢呢戈鲁？

• 本地緩存基于本地環(huán)境的內(nèi)存，訪問速度非赤诮校快婆殿，對于一些變更頻率低、實時性要求低的數(shù)據(jù)罩扇，可以放在本地緩存中婆芦，提升訪問速度
• 使用本地緩存能夠減少和Redis類的遠程緩存間的數(shù)據(jù)交互，減少網(wǎng)絡(luò)I/O開銷喂饥，降低這一過程中在網(wǎng)絡(luò)通信上的耗時

但是在設(shè)計中消约，還是要考慮一些問題的，例如數(shù)據(jù)一致性問題员帮。首先或粮，兩級緩存與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)要保持一致，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生了修改捞高，在修改數(shù)據(jù)庫的同時氯材，本地緩存渣锦、遠程緩存應(yīng)該同步更新。

另外氢哮，如果是分布式環(huán)境下袋毙，一級緩存之間也會存在一致性問題，當一個節(jié)點下的本地緩存修改后冗尤，需要通知其他節(jié)點也刷新本地緩存中的數(shù)據(jù)听盖，否則會出現(xiàn)讀取到過期數(shù)據(jù)的情況，這一問題可以通過類似于Redis中的發(fā)布/訂閱功能解決生闲。

此外媳溺，緩存的過期時間、過期策略以及多線程訪問的問題也都需要考慮進去碍讯，不過我們今天暫時先不考慮這些問題悬蔽，先看一下如何簡單高效的在代碼中實現(xiàn)兩級緩存的管理。

準備工作

在簡單梳理了一下要面對的問題后捉兴，下面開始兩級緩存的代碼實戰(zhàn)蝎困，我們整合號稱最強本地緩存的Caffeine作為一級緩存、性能之王的Redis作為二級緩存倍啥。首先建一個springboot項目禾乘，引入緩存要用到的相關(guān)的依賴：

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
    <version>2.9.2</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    <version>2.8.1</version>
</dependency>

在application.yml中配置Redis的連接信息：

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
    database: 0
    timeout: 10000ms
    lettuce:
      pool:
        max-active: 8
        max-wait: -1ms
        max-idle: 8
        min-idle: 0

在下面的例子中，我們將使用RedisTemplate來對redis進行讀寫操作虽缕，RedisTemplate使用前需要配置一下ConnectionFactory和序列化方式始藕，這一過程比較簡單就不貼出代碼了，有需要本文全部示例代碼的可以在文末獲取氮趋。

下面我們在單機環(huán)境下伍派，將按照對業(yè)務(wù)侵入性的不同程度，分三個版本來實現(xiàn)兩級緩存的使用剩胁。

V1.0版本

我們可以通過手動操作Caffeine中的Cache對象來緩存數(shù)據(jù)诉植，它是一個類似Map的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以key作為索引昵观，value存儲數(shù)據(jù)晾腔。在使用Cache前，需要先配置一下相關(guān)參數(shù)：

@Configuration
public class CaffeineConfig {
    @Bean
    public Cache<String,Object> caffeineCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(128)//初始大小
                .maximumSize(1024)//最大數(shù)量
                .expireAfterWrite(60, TimeUnit.SECONDS)//過期時間
                .build();
    }
}

簡單解釋一下Cache相關(guān)的幾個參數(shù)的意義：

• initialCapacity：初始緩存空大小
• maximumSize：緩存的最大數(shù)量啊犬，設(shè)置這個值可以避免出現(xiàn)內(nèi)存溢出
• expireAfterWrite：指定緩存的過期時間灼擂，是最后一次寫操作后的一個時間，這里

此外觉至，緩存的過期策略也可以通過expireAfterAccess或refreshAfterWrite指定缤至。

在創(chuàng)建完成Cache后，我們就可以在業(yè)務(wù)代碼中注入并使用它了。在沒有使用任何緩存前领斥，一個只有簡單的Service層代碼是下面這樣的嫉到，只有crud操作：

@Service
@AllArgsConstructor
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
    private final OrderMapper orderMapper;

    @Override
    public Order getOrderById(Long id) {        
        Order order = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
              .eq(Order::getId, id));               
        return order;
    }
    
    @Override
    public void updateOrder(Order order) {      
        orderMapper.updateById(order);
    }
    
    @Override
    public void deleteOrder(Long id) {
        orderMapper.deleteById(id);
    }
}

接下來，對上面的OrderService進行改造细层，在執(zhí)行正常業(yè)務(wù)外再加上操作兩級緩存的代碼，先看改造后的查詢操作：

public Order getOrderById(Long id) {
    String key = CacheConstant.ORDER + id;
    Order order = (Order) cache.get(key,
            k -> {
                //先查詢 Redis
                Object obj = redisTemplate.opsForValue().get(k);
                if (Objects.nonNull(obj)) {
                    log.info("get data from redis");
                    return obj;
                }

                // Redis沒有則查詢 DB
                log.info("get data from database");
                Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
                        .eq(Order::getId, id));
                redisTemplate.opsForValue().set(k, myOrder, 120, TimeUnit.SECONDS);
                return myOrder;
            });
    return order;
}

在Cache的get方法中唬涧，會先從緩存中進行查找疫赎，如果找到緩存的值那么直接返回。如果沒有找到則執(zhí)行后面的方法碎节，并把結(jié)果加入到緩存中捧搞。

因此上面的邏輯就是先查找Caffeine中的緩存狮荔，沒有的話查找Redis，Redis再不命中則查詢數(shù)據(jù)庫殖氏，寫入Redis緩存的操作需要手動寫入晚树，而Caffeine的寫入由get方法自己完成。

在上面的例子中婚瓜，設(shè)置Caffeine的過期時間為60秒宝鼓，而Redis的過期時間為120秒，下面進行測試闰渔，首先看第一次接口調(diào)用時席函，進行了數(shù)據(jù)庫的查詢：

[圖片上傳失敗...(image-c5c312-1648427675508)]

而在之后60秒內(nèi)訪問接口時铐望，都沒有打印打任何sql或自定義的日志內(nèi)容冈涧，說明接口沒有查詢Redis或數(shù)據(jù)庫，直接從Caffeine中讀取了緩存正蛙。

等到距離第一次調(diào)用接口進行緩存的60秒后督弓，再次調(diào)用接口：

[圖片上傳失敗...(image-969d83-1648427675508)]

可以看到這時從Redis中讀取了數(shù)據(jù)，因為這時Caffeine中的緩存已經(jīng)過期了乒验，但是Redis中的緩存沒有過期仍然可用愚隧。

下面再來看一下修改操作，代碼在原先的基礎(chǔ)上添加了手動修改Redis和Caffeine緩存的邏輯：

public void updateOrder(Order order) {
    log.info("update order data");
    String key=CacheConstant.ORDER + order.getId();
    orderMapper.updateById(order);
    //修改 Redis
    redisTemplate.opsForValue().set(key,order,120, TimeUnit.SECONDS);
    // 修改本地緩存
    cache.put(key,order);
}

看一下下面圖中接口的調(diào)用锻全、以及緩存的刷新過程狂塘÷济海可以看到在更新數(shù)據(jù)后，同步刷新了緩存中的內(nèi)容荞胡，再之后的訪問接口時不查詢數(shù)據(jù)庫妈踊，也可以拿到正確的結(jié)果：

[圖片上傳失敗...(image-83c741-1648427675508)]

最后再來看一下刪除操作，在刪除數(shù)據(jù)的同時泪漂，手動移除Reids和Caffeine中的緩存：

public void deleteOrder(Long id) {
    log.info("delete order");
    orderMapper.deleteById(id);
    String key= CacheConstant.ORDER + id;
    redisTemplate.delete(key);
    cache.invalidate(key);
}

我們在刪除某個緩存后廊营，再次調(diào)用之前的查詢接口時，又會出現(xiàn)重新查詢數(shù)據(jù)庫的情況：

[圖片上傳失敗...(image-7bd156-1648427675508)]

簡單的演示到此為止萝勤，可以看到上面這種使用緩存的方式露筒，雖然看起來沒什么大問題，但是對代碼的入侵性比較強敌卓。在業(yè)務(wù)處理的過程中要由我們頻繁的操作兩級緩存慎式，會給開發(fā)人員帶來很大負擔(dān)。那么假哎，有什么方法能夠簡化這一過程呢瞬捕？我們看看下一個版本。

V2.0版本

在spring項目中舵抹，提供了CacheManager接口和一些注解肪虎，允許讓我們通過注解的方式來操作緩存。先來看一下常用幾個注解說明：

• @Cacheable：根據(jù)鍵從緩存中取值惧蛹，如果緩存存在扇救，那么獲取緩存成功之后，直接返回這個緩存的結(jié)果香嗓。如果緩存不存在迅腔，那么執(zhí)行方法，并將結(jié)果放入緩存中靠娱。
• @CachePut：不管之前的鍵對應(yīng)的緩存是否存在沧烈，都執(zhí)行方法，并將結(jié)果強制放入緩存
• @CacheEvict：執(zhí)行完方法后像云，會移除掉緩存中的數(shù)據(jù)锌雀。

如果要使用上面這幾個注解管理緩存的話，我們就不需要配置V1版本中的那個類型為Cache的Bean了迅诬，而是需要配置spring中的CacheManager的相關(guān)參數(shù)腋逆，具體參數(shù)的配置和之前一樣：

@Configuration
public class CacheManagerConfig {
    @Bean
    public CacheManager cacheManager(){
        CaffeineCacheManager cacheManager=new CaffeineCacheManager();
        cacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(128)
                .maximumSize(1024)
                .expireAfterWrite(60, TimeUnit.SECONDS));
        return cacheManager;
    }
}

然后在啟動類上再添加上@EnableCaching注解，就可以在項目中基于注解來使用Caffeine的緩存支持了侈贷。下面惩歉，再次對Service層代碼進行改造。

首先，還是改造查詢方法撑蚌，在方法上添加@Cacheable注解：

@Cacheable(value = "order",key = "#id")
//@Cacheable(cacheNames = "order",key = "#p0")
public Order getOrderById(Long id) {
    String key= CacheConstant.ORDER + id;
    //先查詢 Redis
    Object obj = redisTemplate.opsForValue().get(key);
    if (Objects.nonNull(obj)){
        log.info("get data from redis");
        return (Order) obj;
    }
    // Redis沒有則查詢 DB
    log.info("get data from database");
    Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
            .eq(Order::getId, id));
    redisTemplate.opsForValue().set(key,myOrder,120, TimeUnit.SECONDS);
    return myOrder;
}

@Cacheable注解的屬性多達9個上遥，好在我們?nèi)粘Ｊ褂脮r只需要配置兩個常用的就可以了。其中value和cacheNames互為別名關(guān)系争涌，表示當前方法的結(jié)果會被緩存在哪個Cache上露该，應(yīng)用中通過cacheName來對Cache進行隔離，每個cacheName對應(yīng)一個Cache實現(xiàn)第煮。value和cacheNames可以是一個數(shù)組解幼，綁定多個Cache。

而另一個重要屬性key包警，用來指定緩存方法的返回結(jié)果時對應(yīng)的key撵摆，這個屬性支持使用SpringEL表達式。通常情況下害晦，我們可以使用下面幾種方式作為key：

#參數(shù)名
#參數(shù)對象.屬性名
#p參數(shù)對應(yīng)下標

在上面的代碼中特铝，我們看到添加了@Cacheable注解后，在代碼中只需要保留原有的業(yè)務(wù)處理邏輯和操作Redis部分的代碼即可壹瘟，Caffeine部分的緩存就交給spring處理了鲫剿。

下面，我們再來改造一下更新方法稻轨，同樣灵莲，使用@CachePut注解后移除掉手動更新Cache的操作：

@CachePut(cacheNames = "order",key = "#order.id")
public Order updateOrder(Order order) {
    log.info("update order data");
    orderMapper.updateById(order);
    //修改 Redis
    redisTemplate.opsForValue().set(CacheConstant.ORDER + order.getId(),
            order, 120, TimeUnit.SECONDS);
    return order;
}

注意，這里和V1版本的代碼有一點區(qū)別殴俱，在之前的更新操作方法中政冻，是沒有返回值的void類型，但是這里需要修改返回值的類型线欲，否則會緩存一個空對象到緩存中對應(yīng)的key上明场。當下次執(zhí)行查詢操作時，會直接返回空對象給調(diào)用方李丰，而不會執(zhí)行方法中查詢數(shù)據(jù)庫或Redis的操作苦锨。

最后，刪除方法的改造就很簡單了趴泌，使用@CacheEvict注解舟舒，方法中只需要刪除Redis中的緩存即可：

@CacheEvict(cacheNames = "order",key = "#id")
public void deleteOrder(Long id) {
    log.info("delete order");
    orderMapper.deleteById(id);
    redisTemplate.delete(CacheConstant.ORDER + id);
}

可以看到，借助spring中的CacheManager和Cache相關(guān)的注解踱讨，對V1版本的代碼經(jīng)過改進后魏蔗，可以把全手動操作兩級緩存的強入侵代碼方式砍的，改進為本地緩存交給spring管理痹筛，Redis緩存手動修改的半入侵方式。那么，還能進一步改造帚稠，使之成為對業(yè)務(wù)代碼完全無入侵的方式嗎谣旁？

V3.0版本

模仿spring通過注解管理緩存的方式，我們也可以選擇自定義注解滋早，然后在切面中處理緩存榄审，從而將對業(yè)務(wù)代碼的入侵降到最低。

首先定義一個注解杆麸，用于添加在需要操作緩存的方法上：

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface DoubleCache {
    String cacheName();
    String key();   //支持springEl表達式
    long l2TimeOut() default 120;
    CacheType type() default CacheType.FULL;
}

我們使用cacheName + key作為緩存的真正key（僅存在一個Cache中搁进，不做CacheName隔離），l2TimeOut為可以設(shè)置的二級緩存Redis的過期時間昔头，type是一個枚舉類型的變量饼问，表示操作緩存的類型，枚舉類型定義如下：

public enum CacheType {
    FULL,   //存取
    PUT,    //只存
    DELETE  //刪除
}

因為要使key支持springEl表達式揭斧，所以需要寫一個方法莱革，使用表達式解析器解析參數(shù)：

public static String parse(String elString, TreeMap<String,Object> map){
    elString=String.format("#{%s}",elString);
    //創(chuàng)建表達式解析器
    ExpressionParser parser = new SpelExpressionParser();
    //通過evaluationContext.setVariable可以在上下文中設(shè)定變量。
    EvaluationContext context = new StandardEvaluationContext();
    map.entrySet().forEach(entry->
        context.setVariable(entry.getKey(),entry.getValue())
    );

    //解析表達式
    Expression expression = parser.parseExpression(elString, new TemplateParserContext());
    //使用Expression.getValue()獲取表達式的值讹开，這里傳入了Evaluation上下文
    String value = expression.getValue(context, String.class);
    return value;
}

參數(shù)中的elString對應(yīng)的就是注解中key的值盅视，map是將原方法的參數(shù)封裝后的結(jié)果。簡單進行一下測試：

public void test() {
    String elString="#order.money";
    String elString2="#user";
    String elString3="#p0";   

    TreeMap<String,Object> map=new TreeMap<>();
    Order order = new Order();
    order.setId(111L);
    order.setMoney(123D);
    map.put("order",order);
    map.put("user","Hydra");

    String val = parse(elString, map);
    String val2 = parse(elString2, map);
    String val3 = parse(elString3, map);

    System.out.println(val);
    System.out.println(val2);
    System.out.println(val3);
}

執(zhí)行結(jié)果如下旦万，可以看到支持按照參數(shù)名稱闹击、參數(shù)對象的屬性名稱讀取，但是不支持按照參數(shù)下標讀取成艘，暫時留個小坑以后再處理拇砰。

123.0
Hydra
null

至于Cache相關(guān)參數(shù)的配置，我們沿用V1版本中的配置即可狰腌。準備工作做完了除破，下面我們定義切面，在切面中操作Cache來讀寫Caffeine的緩存琼腔，操作RedisTemplate讀寫Redis緩存瑰枫。

@Slf4j @Component @Aspect 
@AllArgsConstructor
public class CacheAspect {
    private final Cache cache;
    private final RedisTemplate redisTemplate;

    @Pointcut("@annotation(com.cn.dc.annotation.DoubleCache)")
    public void cacheAspect() {
    }

    @Around("cacheAspect()")
    public Object doAround(ProceedingJoinPoint point) throws Throwable {
        MethodSignature signature = (MethodSignature) point.getSignature();
        Method method = signature.getMethod();

        //拼接解析springEl表達式的map
        String[] paramNames = signature.getParameterNames();
        Object[] args = point.getArgs();
        TreeMap<String, Object> treeMap = new TreeMap<>();
        for (int i = 0; i < paramNames.length; i++) {
            treeMap.put(paramNames[i],args[i]);
        }

        DoubleCache annotation = method.getAnnotation(DoubleCache.class);
        String elResult = ElParser.parse(annotation.key(), treeMap);
        String realKey = annotation.cacheName() + CacheConstant.COLON + elResult;

        //強制更新
        if (annotation.type()== CacheType.PUT){
            Object object = point.proceed();
            redisTemplate.opsForValue().set(realKey, object,annotation.l2TimeOut(), TimeUnit.SECONDS);
            cache.put(realKey, object);
            return object;
        }
        //刪除
        else if (annotation.type()== CacheType.DELETE){
            redisTemplate.delete(realKey);
            cache.invalidate(realKey);
            return point.proceed();
        }

        //讀寫，查詢Caffeine
        Object caffeineCache = cache.getIfPresent(realKey);
        if (Objects.nonNull(caffeineCache)) {
            log.info("get data from caffeine");
            return caffeineCache;
        }

        //查詢Redis
        Object redisCache = redisTemplate.opsForValue().get(realKey);
        if (Objects.nonNull(redisCache)) {
            log.info("get data from redis");
            cache.put(realKey, redisCache);
            return redisCache;
        }

        log.info("get data from database");
        Object object = point.proceed();
        if (Objects.nonNull(object)){
            //寫入Redis
            redisTemplate.opsForValue().set(realKey, object,annotation.l2TimeOut(), TimeUnit.SECONDS);
            //寫入Caffeine
            cache.put(realKey, object);        
        }
        return object;
    }
}

切面中主要做了下面幾件工作：

• 通過方法的參數(shù)丹莲，解析注解中key的springEl表達式光坝，組裝真正緩存的key
• 根據(jù)操作緩存的類型，分別處理存取甥材、只存盯另、刪除緩存操作
• 刪除和強制更新緩存的操作，都需要執(zhí)行原方法洲赵，并進行相應(yīng)的緩存刪除或更新操作
• 存取操作前鸳惯，先檢查緩存中是否有數(shù)據(jù)商蕴，如果有則直接返回，沒有則執(zhí)行原方法芝发，并將結(jié)果存入緩存

修改Service層代碼绪商，代碼中只保留原有業(yè)務(wù)代碼，再添加上我們自定義的注解就可以了：

@DoubleCache(cacheName = "order", key = "#id",
        type = CacheType.FULL)
public Order getOrderById(Long id) {
    Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
            .eq(Order::getId, id));
    return myOrder;
}

@DoubleCache(cacheName = "order",key = "#order.id",
        type = CacheType.PUT)
public Order updateOrder(Order order) {
    orderMapper.updateById(order);
    return order;
}

@DoubleCache(cacheName = "order",key = "#id",
        type = CacheType.DELETE)
public void deleteOrder(Long id) {
    orderMapper.deleteById(id);
}

到這里辅鲸，基于切面操作緩存的改造就完成了格郁，Service的代碼也瞬間清爽了很多，讓我們可以繼續(xù)專注于業(yè)務(wù)邏輯處理独悴，而不用費心去操作兩級緩存了例书。

總結(jié)

本文按照對業(yè)務(wù)入侵的遞減程度，依次介紹了三種管理兩級緩存的方法刻炒。至于在項目中是否需要使用二級緩存雾叭，需要考慮自身業(yè)務(wù)情況，如果Redis這種遠程緩存已經(jīng)能夠滿足你的業(yè)務(wù)需求落蝙，那么就沒有必要再使用本地緩存了织狐。畢竟實際使用起來遠沒有那么簡單，本文中只是介紹了最基礎(chǔ)的使用筏勒，實際中的并發(fā)問題移迫、事務(wù)的回滾問題都需要考慮，還需要思考什么數(shù)據(jù)適合放在一級緩存管行、什么數(shù)據(jù)適合放在二級緩存等等的其他問題厨埋。

那么，這次的分享就到這里捐顷，我是Hydra荡陷，下期見。

本文的全部代碼示例已傳到了Hydra的Github上迅涮，公眾號碼農(nóng)參上后臺回復(fù)緩存獲取鏈接

作者簡介废赞，碼農(nóng)參上，一個熱愛分享的公眾號叮姑，有趣唉地、深入、直接传透，與你聊聊技術(shù)耘沼。個人微信DrHydra9，歡迎添加好友朱盐，進一步交流群嗤。