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Guava- 技术专题 -Cache 用法介绍

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李浩宇/Alex
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发布于: 2020 年 10 月 15 日
Guava-技术专题-Cache用法介绍

背景

缓存的主要作用是暂时在内存中保存业务系统的数据处理结果，并且等待下次访问使用。在日长开发有很多场合，有一些数据量不是很大，不会经常改动，并且访问非常频繁。但是由于受限于硬盘IO的性能或者远程网络等原因获取可能非常的费时。会导致我们的程序非常缓慢，这在某些业务上是不能忍的！而缓存正是解决这类问题的神器！

当然也并不是说你用了缓存你的系统就一定会变快，建议在用之前看一下使用缓存的9大误区(上) 使用缓存的9大误区(下)

缓存在很多系统和架构中都用广泛的应用,例如：

  1. CPU缓存

  2. 操作系统缓存

  3. HTTP缓存

  4. 数据库缓存

  5. 静态文件缓存

  6. 本地缓存

  7. 分布式缓存

可以说在计算机和网络领域，缓存是无处不在的。可以这么说，只要有硬件性能不对等，涉及到网络传输的地方都会有缓存的身影。

缓存总体可分为两种 集中式缓存 和 分布式缓存

“集中式缓存"与"分布式缓存"的区别其实就在于“集中”与"非集中"的概念，其对象可能是服务器、内存条、硬盘等。

比如

1.服务器版本

  • 缓存集中在一台服务器上，为集中式缓存。

  • 缓存分散在不同的服务器上，为分布式缓存。

2.内存条版本

  • 缓存集中在一台服务器的一条内存条上，为集中式缓存。

  • 缓存分散在一台服务器的不同内存条上，为分布式缓存。

3.硬盘版本

  • 缓存集中在一台服务器的一个硬盘上，为集中式缓存。

  • 缓存分散在一台服务器的不同硬盘上，为分布式缓存。

想了解分布式缓存可以看一下浅谈分布式缓存那些事儿。

这是几个当前比较流行的java 分布式缓存框架5个强大的Java分布式缓存框架推荐。

集中式内存缓存guava cache,这是当前我们项目正在用的缓存工具，研究一下感觉还蛮好用的。当然也有很多其他工具，还是看个人喜欢。oschina上面也有很多类似开源的java缓存框架

正文

Guava Cache与ConcurrentMap很相似，但也不完全一样。最基本的区别是ConcurrentMap会一直保存所有添加的元素，直到显式地移除。

相对地，Guava Cache为了限制内存占用，通常都设定为自动回收元素。在某些场景下，尽管LoadingCache 不回收元素，它也是很有用的，因为它会自动加载缓存。

Guava Cache是在内存中缓存数据，相比较于数据库或redis存储，访问内存中的数据会更加高效。Guava官网介绍，下面的这几种情况可以考虑使用Guava Cache：

  1. 愿意消耗一些内存空间来提升速度。

  2. 预料到某些键会被多次查询。

  3. 缓存中存放的数据总量不会超出内存容量。

所以，可以将程序频繁用到的少量数据存储到Guava Cache中，以改善程序性能。下面对Guava Cache的用法进行详细的介绍。

构建缓存对象

接口Cache代表一块缓存，它有如下方法：

 1 public interface Cache<K, V> {
 2     V get(K key, Callable<? extends V> valueLoader) throws ExecutionException;
 4     ImmutableMap<K, V> getAllPresent(Iterable<?> keys);
 6     void put(K key, V value);
 8     void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
10     void invalidate(Object key);
12     void invalidateAll(Iterable<?> keys);
14     void invalidateAll();
16     long size();
18     CacheStats stats();
20     ConcurrentMap<K, V> asMap();
22     void cleanUp();
23 }

可以通过CacheBuilder类构建一个缓存对象，CacheBuilder类采用builder设计模式，它的每个方法都返回CacheBuilder本身，直到build方法被调用。构建一个缓存对象代码如下。

1 public class StudyGuavaCache {
2     public static void main(String[] args) {
3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder().build();
4         cache.put("word","Hello Guava Cache");
5         System.out.println(cache.getIfPresent("word"));
6     }
7 }

上面的代码通过CacheBuilder.newBuilder().build()这句代码创建了一个Cache缓存对象，并在缓存对象中存储了key为word，value为Hello Guava Cache的一条记录。可以看到Cache非常类似于JDK中的Map，但是相比于Map，Guava Cache提供了很多更强大的功能。

从LoadingCache查询的正规方式是使用get(K)方法。这个方法要么返回已经缓存的值，要么使用CacheLoader向缓存原子地加载新值（通过load(String key) 方法加载）。由于CacheLoader可能抛出异常，LoadingCache.get(K)也声明抛出ExecutionException异常。如果你定义的CacheLoader没有声明任何检查型异常，则可以通过getUnchecked(K)查找缓存；但必须注意，一旦CacheLoader声明了检查型异常，就不可以调用getUnchecked(K)。

 1 LoadingCache<Key, Value> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 2        .build(
 3            new CacheLoader<Key, Value>() {
 4              public Value load(Key key) throws AnyException {
 5                return createValue(key);
 6              }
 7            });
 8 ...
 9 try {
10   return cache.get(key);
11 } catch (ExecutionException e) {
12   throw new OtherException(e.getCause());
13 }

设置最大存储

Guava Cache可以在构建缓存对象时指定缓存所能够存储的最大记录数量。当Cache中的记录数量达到最大值后再调用put方法向其中添加对象，Guava会先从当前缓存的对象记录中选择一条删除掉，腾出空间后再将新的对象存储到Cache中。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4                 .maximumSize(2).build();
 6         cache.put("key1","value1");
 7         cache.put("key2","value2");
 8         cache.put("key3","value3");
 9         System.out.println("第一个值：" + cache.getIfPresent("key1"));
10         System.out.println("第二个值：" + cache.getIfPresent("key2"));
11         System.out.println("第三个值：" + cache.getIfPresent("key3"));
12     }
13 }

上面代码在构造缓存对象时，通过CacheBuilder类的maximumSize方法指定Cache最多可以存储两个对象，然后调用Cache的put方法向其中添加了三个对象。程序执行结果如下图所示，可以看到第三条对象记录的插入，导致了第一条对象记录被删除。





设置过期时间

构建Cache对象时，可以通过CacheBuilder类的expireAfterAccess和expireAfterWrite两个方法为缓存中的对象指定过期时间，使用`CacheBuilder`构建的缓存不会“自动”执行清理和逐出值，也不会在值到期后立即执行或逐出任何类型。相反，它在写入操作期间执行少量维护，或者在写入很少的情况下偶尔执行读取操作。其中，expireAfterWrite方法指定对象被写入到缓存后多久过期，expireAfterAccess指定对象多久没有被访问后过期。



 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4                 .maximumSize(2)
 5                 .expireAfterWrite(3,TimeUnit.SECONDS)
 6                 .build();
 7         cache.put("key1","value1");
 8         int time = 1;
 9         while(true) {
10             System.out.println("第" + time++ + "次取到key1的值为：" + cache.getIfPresent("key1"));
11             Thread.sleep(1000);
12         }
13     }
14 }

上面的代码在构造Cache对象时，通过CacheBuilder的expireAfterWrite方法指定put到Cache中的对象在3秒后会过期。在Cache对象中存储一条对象记录后，每隔1秒读取一次这条记录。程序运行结果如下图所示，可以看到，前三秒可以从Cache中获取到对象，超过三秒后，对象从Cache中被自动删除。





下面代码是expireAfterAccess的例子。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4                 .maximumSize(2)
 5                 .expireAfterAccess(3,TimeUnit.SECONDS)
 6                 .build();
 7         cache.put("key1","value1");
 8         int time = 1;
 9         while(true) {
10             Thread.sleep(time*1000);
11             System.out.println("睡眠" + time++ + "秒后取到key1的值为：" + cache.getIfPresent("key1"));
12         }
13     }
14 }

通过CacheBuilder的expireAfterAccess方法指定Cache中存储的对象如果超过3秒没有被访问就会过期。while中的代码每sleep一段时间就会访问一次Cache中存储的对象key1，每次访问key1之后下次sleep的时间会加长一秒。程序运行结果如下图所示，从结果中可以看出，当超过3秒没有读取key1对象之后，该对象会自动被Cache删除。





也可以同时用expireAfterAccess和expireAfterWrite方法指定过期时间，这时只要对象满足两者中的一个条件就会被自动过期删除。

Guava Cache缓存过期后不一定会立马被清理，一般会在Cache整体被读取一定次数后清理。这中策略对性能是有好处的，如果想强制清理可以手动调用`Cache.cleanup()`或者使用`ScheduledExecutorService`来完成定期清理

弱引用

可以通过weakKeys和weakValues方法指定Cache只保存对缓存记录key和value的弱引用。这样当没有其他强引用指向key和value时，key和value对象就会被垃圾回收器回收。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         Cache<String,Object> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4                 .maximumSize(2)
 5                 .weakValues()
 6                 .build();
 7         Object value = new Object();
 8         cache.put("key1",value);
10         value = new Object();//原对象不再有强引用
11         System.gc();
12         System.out.println(cache.getIfPresent("key1"));
13     }
14 }

上面代码的打印结果是null。构建Cache时通过weakValues方法指定Cache只保存记录值的一个弱引用。当给value引用赋值一个新的对象之后，就不再有任何一个强引用指向原对象。System.gc()触发垃圾回收后，原对象就被清除了。

显示清除

可以调用Cache的invalidateAll或invalidate方法显示删除Cache中的记录。invalidate方法一次只能删除Cache中一个记录，接收的参数是要删除记录的key。invalidateAll方法可以批量删除Cache中的记录，当没有传任何参数时，invalidateAll方法将清除Cache中的全部记录。invalidateAll也可以接收一个Iterable类型的参数，参数中包含要删除记录的所有key值。下面代码对此做了示例。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder().build();
 4         Object value = new Object();
 5         cache.put("key1","value1");
 6         cache.put("key2","value2");
 7         cache.put("key3","value3");
 9         List<String> list = new ArrayList<String>();
10         list.add("key1");
11         list.add("key2");
13         cache.invalidateAll(list);
					 //批量清除list中全部key对应的记录
14         System.out.println(cache.getIfPresent("key1"));
15         System.out.println(cache.getIfPresent("key2"));
16         System.out.println(cache.getIfPresent("key3"));
17     }
18 }

代码中构造了一个集合list用于保存要删除记录的key值，然后调用invalidateAll方法批量删除key1和key2对应的记录，只剩下key3对应的记录没有被删除。

移除监听器

可以为Cache对象添加一个移除监听器，这样当有记录被删除时可以感知到这个事件。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         RemovalListener<String, String> listener = new RemovalListener<String, String>() {
 4             public void onRemoval(RemovalNotification<String, String> notification) {
 5                 System.out.println("[" + notification.getKey() + ":" + notification.getValue() + "] is removed!");
 6             }
 7         };
 8         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 9                 .maximumSize(3)
10                 .removalListener(listener).build();
12         Object value = new Object();
13         cache.put("key1","value1");
14         cache.put("key2","value2");
15         cache.put("key3","value3");
16         cache.put("key4","value3");
17         cache.put("key5","value3");
18         cache.put("key6","value3");
19         cache.put("key7","value3");
20         cache.put("key8","value3");
21     }
22 }

removalListener方法为Cache指定了一个移除监听器，这样当有记录从Cache中被删除时，监听器listener就会感知到这个事件。程序运行结果如下图所示。

自动加载

Cache的get方法有两个参数，第一个参数是要从Cache中获取记录的key，第二个记录是一个Callable对象。当缓存中已经存在key对应的记录时，get方法直接返回key对应的记录。如果缓存中不包含key对应的记录，Guava会启动一个线程执行Callable对象中的call方法，call方法的返回值会作为key对应的值被存储到缓存中，并且被get方法返回。下面是一个多线程的例子：

 1 public class StudyGuavaCache {
 3     private static Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4             .maximumSize(3)
 5             .build();
 7     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 9         new Thread(new Runnable() {
10             public void run() {
11                 System.out.println("thread1");
12                 try {
13                     String value = cache.get("key", new Callable<String>() {
14                         public String call() throws Exception {
15                             System.out.println("load1"); //加载数据线程执行标志
16                             Thread.sleep(1000); //模拟加载时间
17                             return "auto load by Callable";
18                         }
19                     });
20                     System.out.println("thread1 " + value);
21                 } catch (ExecutionException e) {
22                     e.printStackTrace();
23                 }
24             }
25         }).start();
27         new Thread(new Runnable() {
28             public void run() {
29                 System.out.println("thread2");
30                 try {
31                     String value = cache.get("key", new Callable<String>() {
32                         public String call() throws Exception {
33                             System.out.println("load2"); //加载数据线程执行标志
34                             Thread.sleep(1000); //模拟加载时间
35                             return "auto load by Callable";
36                         }
37                     });
38                     System.out.println("thread2 " + value);
39                 } catch (ExecutionException e) {
40                     e.printStackTrace();
41                 }
42             }
43         }).start();
44     }
45 }

这段代码中有两个线程共享同一个Cache对象，两个线程同时调用get方法获取同一个key对应的记录。由于key对应的记录不存在，所以两个线程都在get方法处阻塞。此处在call方法中调用Thread.sleep(1000)模拟程序从外存加载数据的时间消耗。代码的执行结果如下图：

从结果中可以看出，虽然是两个线程同时调用get方法，但只有一个get方法中的Callable会被执行(没有打印出load2)。Guava可以保证当有多个线程同时访问Cache中的一个key时，如果key对应的记录不存在，Guava只会启动一个线程执行get方法中Callable参数对应的任务加载数据存到缓存。当加载完数据后，任何线程中的get方法都会获取到key对应的值。

统计信息

可以对Cache的命中率、加载数据时间等信息进行统计。在构建Cache对象时，可以通过CacheBuilder的recordStats方法开启统计信息的开关。开关开启后Cache会自动对缓存的各种操作进行统计，调用Cache的stats方法可以查看统计后的信息。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         Cache<String,String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
 4                 .maximumSize(3)
 5                 .recordStats() //开启统计信息开关
 6                 .build();
 7         cache.put("key1","value1");
 8         cache.put("key2","value2");
 9         cache.put("key3","value3");
10         cache.put("key4","value4");
12         cache.getIfPresent("key1");
13         cache.getIfPresent("key2");
14         cache.getIfPresent("key3");
15         cache.getIfPresent("key4");
16         cache.getIfPresent("key5");
17         cache.getIfPresent("key6");
19         System.out.println(cache.stats()); //获取统计信息
20     }
21 }

程序执行结果如下图所示：

这些统计信息对于调整缓存设置是至关重要的，在性能要求高的应用中应该密切关注这些数据

LoadingCache

LoadingCache是Cache的子接口，相比较于Cache，当从LoadingCache中读取一个指定key的记录时，如果该记录不存在，则LoadingCache可以自动执行加载数据到缓存的操作。LoadingCache接口的定义如下：

 1 public interface LoadingCache<K, V> extends Cache<K, V>, Function<K, V> {
 2 
 3     V get(K key) throws ExecutionException;
 4 
 5     V getUnchecked(K key);
 6 
 7     ImmutableMap<K, V> getAll(Iterable<? extends K> keys) throws ExecutionException;
 9     V apply(K key);
10 
11     void refresh(K key);
12 
13     @Override
14     ConcurrentMap<K, V> asMap();
15 }

与构建Cache类型的对象类似，LoadingCache类型的对象也是通过CacheBuilder进行构建，不同的是，在调用CacheBuilder的build方法时，必须传递一个CacheLoader类型的参数，CacheLoader的load方法需要我们提供实现。当调用LoadingCache的get方法时，如果缓存不存在对应key的记录，则CacheLoader中的load方法会被自动调用从外存加载数据，load方法的返回值会作为key对应的value存储到LoadingCache中，并从get方法返回。

 1 public class StudyGuavaCache {
 2     public static void main(String[] args) throws ExecutionException {
 3         CacheLoader<String, String> loader = new CacheLoader<String, String> () {
 4             public String load(String key) throws Exception {
 5                 Thread.sleep(1000); //休眠1s，模拟加载数据
 6                 System.out.println(key + " is loaded from a cacheLoader!");
 7                 return key + "'s value";
 8             }
 9         };
11         LoadingCache<String,String> loadingCache = CacheBuilder.newBuilder()
12                 .maximumSize(3)
13                 .build(loader);//在构建时指定自动加载器
15         loadingCache.get("key1");
16         loadingCache.get("key2");
17         loadingCache.get("key3");
18     }
19 }

程序执行结果如下图所示：





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我们始于迷惘，终于更高的迷惘. 2020.03.25 加入

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