Java高效能本地快取框架Caffeine的實現

2022-02-28 10:00:23

一、序言

Caffeine是一個程序內部快取框架，使用了Java 8最新的[StampedLock]樂觀鎖技術，極大提高快取並行吞吐量，一個高效能的 Java 快取庫，被稱為最快快取。

二、快取簡介

（一）快取對比

從橫向對常用的快取進行對比，有助於加深對快取的理解，有助於提高技術選型的合理性。下面對比三種常用快取：Redis、EhCache、Caffeine。

1、序列化

快取	序列化	原因
Redis	必須實現序列化	程序間資料傳輸，因此必須實現序列化。大多數情況下涉及內網網路傳輸；作為快取資料庫使用，持久化是標配。
EhCache	不一定需要實現序列化	當快取設定不持久化到磁碟時，無需實現序列化介面。使用時，如果不確定是否需要持久化到磁碟，建議統一實現序列化介面。
Caffeine	不需要實現序列化	Map物件的改進型介面，不涉及任何形式的網路傳輸和持久化，因此完全不需要實現序列化介面。

2、程序關係

快取	程序關係	備註
Redis	與業務程序獨立，由作業系統獨立管理，業務系統重啟對快取服務無影響	Redis服務與業務服務獨立，互相影響較小
EhCache	附著於業務程序，業務系統重啟，儲存與記憶體部分的快取資料丟失；儲存與硬碟部分的資料繼續存在	快取設定存在兩種模式：一種是純記憶體型，一種是可持久化到磁碟
Caffeine	附著於業務程序，業務系統重啟，快取資料全部丟失	純記憶體型

記憶體型快取的理解：快取都是使用記憶體作為儲存媒介的，各種快取服務的區別如下：Caffeine是記憶體型快取是指快取與呼叫者屬於同一個應用，準確的說屬於同一個JVM；Redis是指另外一個獨立程序的記憶體型，快取資料儲存在Redis資料庫的記憶體中，而不是在呼叫服務所屬的記憶體中。

（二）本地快取

本地快取與分散式快取對應，快取程序和應用程序同屬於一個JVM，資料的讀、寫在一個程序內完成。本地快取沒有網路開銷，存取速度很快。

Caffeine是基於Guava Cache增強的新一代快取技術，快取效能極其出色。

1、Map

JDK內建的Map可作為快取的一種實現方式，然而嚴格意義來講，其不能算作快取的範疇。原因如下：一是其儲存的資料不能主動過期；二是無任何快取淘汰策略。

三、SpringCache

Caffeine作為Spring體系中內建的快取之一，Spring Cache同樣提供呼叫介面支援。

（一）需求分析

1、CacheManager

Caffeine屬於程序內部快取框架，不需要設定多資料來源，因此一個CacheManager即可滿足需求。如果應用中僅使用Caffeine作為唯一的快取框架，那麼通過註解使用時無需顯式指明。

2、CacheName

任何一類快取，不同業務模組間快取過期時間以及快取淘汰策略幾乎不相同，因此應該支援多CacheName，並且應該具有不同設定。過期時間是不同CacheName間快取設定的重要區別。

3、Key

記憶體型快取，無視覺化介面，因此首要滿足鍵值的唯一性，鍵值唯一是正確使用業務快取的基礎保證。

（二）序列化

Caffeine快取不涉及任何序列化，因此目標快取物件不需要實現Serializable介面。若涉及多級快取或者多種快取共用，其它需要網路傳輸或者持久化的快取需要序列化，Caffeine儘管也使用實現序列化的實體類，但是不做序列化操作。

不需要序列化，降低了快取使用難度。

（三）整合

1、引入依賴

如果無特別要求，使用較新SpringBoot的內建版本即可。

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework</groupId>
    <artifactId>spring-context-support</artifactId>
</dependency>

2、全域性設定

全域性設定中指定使用caffeine快取管理。

spring:
  cache:
    type: caffeine

3、快取管理器

設定快取管理器：多CacheName設定。

public interface CacheNameTimeConstant {
    String CACHE_DEFAULT = "CACHE_DEFAULT";
    String CACHE_10SECS = "CACHE_10SECS";
    String CACHE_60SECS = "CACHE_60SECS";
}

同一個CacheManager設定多個CacheName，此處僅設定過期時間的差異，其餘設定可自由增加。

@Bean
public CacheManager caffeineCacheManager() {
    SimpleCacheManager cacheManager = new SimpleCacheManager();
    List<CaffeineCache> caches = new ArrayList<>();
    caches.add(new CaffeineCache(CacheNameTimeConstant.CACHE_5SECS, 
            Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(5, TimeUnit.SECONDS).build()));
    caches.add(new CaffeineCache(CacheNameTimeConstant.CACHE_10SECS, 
            Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS).build()));
    caches.add(new CaffeineCache(CacheNameTimeConstant.CACHE_30SECS, 
            Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(30, TimeUnit.SECONDS).build()));
    cacheManager.setCaches(caches);
    return cacheManager;
}