Spring 缓存是如何实现的？如何扩展使其支持过期删除功能？ | 京东云技术团队

作者：京东科技开发者

2023-08-21
北京
本文字数：4575 字
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Spring缓存是如何实现的？如何扩展使其支持过期删除功能？ | 京东云技术团队

前言：在我们的应用中，有一些数据是通过 rpc 获取的远端数据，该数据不会经常变化，允许客户端在本地缓存一定时间。

该场景逻辑简单，缓存数据较小，不需要持久化，所以不希望引入其他第三方缓存工具加重应用负担，非常适合使用 Spring Cache 来实现。

但有个问题是，我们希望将这些 rpc 结果数据缓存起来，并在一定时间后自动删除，以实现在一定时间后获取到最新数据。类似 Redis 的过期时间。

接下来是我的调研步骤和开发过程。

Spring Cache 是什么？

Spring Cache 是 Spring 的一个缓存抽象层，作用是在方法调用时自动缓存返回结果，以提高系统性能和响应速度。

目标是简化缓存的使用，提供一致的缓存访问方式，使开发人员能够轻松快速地将缓存添加到应用程序中。

应用于方法级别，在下次调用相同参数的方法时，直接从缓存中获取结果，而不必执行实际的方法体。

适用场景？

包括但不限于：

频繁访问的方法调用，可以通过缓存结果来提高性能
数据库查询结果，可以缓存查询结果以减少数据库访问
外部服务调用结果，可以缓存外部服务的响应结果以减少网络开销
计算结果，可以缓存计算结果以加快后续计算速度

优缺点

优点：

提高应用的性能，避免重复计算或查询。
减少对底层资源的访问，如数据库或远程服务，从而减轻负载。
简化代码，通过注解的方式实现缓存逻辑，而不需要手动编写缓存代码。

缺点：

需要占用一定的内存空间来存储缓存数据。
可能导致数据不一致问题，如果缓存的数据发生变化，但缓存没有及时更新，可能会导致脏数据的问题。（所以需要及时更新缓存）
可能引发缓存穿透问题，当大量请求同时访问一个不存在于缓存中的键时，会导致请求直接落到底层资源，增加负载。

重要组件

CacheManager：缓存管理器，用于创建、配置和管理缓存对象。可以配置具体的缓存实现，如 Ehcache、Redis。
Cache：缓存对象，用于存储缓存数据，提供了读取、写入和删除缓存数据的方法。
常用注解：
@Cacheable：被调用时，会检查缓存中是否已存在，若有，则直接返回缓存结果，否则执行方法并将结果存入缓存，适用于只读操作。
@CachePut：则每次都会执行方法体，并将结果存入缓存，即每次都会更新缓存中的数据，适用于写操作。
@CacheEvict：被调用时，Spring Cache 会清除对应的缓存数据。

使用方式

配置缓存管理器（CacheManager）：使用@EnableCaching注解启用缓存功能，并配置具体的缓存实现。
在方法上添加缓存注解：使用@Cacheable、@CacheEvict、@CachePut等注解标记需要被缓存的方法。
调用被缓存的方法：当调用被标记为缓存的方法时，Spring Cache 会检查缓存中是否已有该方法的缓存结果。
根据缓存结果返回数据：如果缓存中已有结果，则直接从缓存中返回；否则，执行方法并将结果存入缓存。
根据需要清除或更新缓存：使用@CacheEvict、@CachePut注解可以在方法调用后清除或更新缓存。
通过以上步骤，Spring Cache 可以自动管理缓存的读写操作，从而简化缓存的使用和管理。

Spring Boot 默认使用哪种实现，及其优缺点：

Spring Boot 默认使用ConcurrentMapCacheManager作为缓存管理器的实现，适用于简单的、单机的、对缓存容量要求较小的应用场景。

优点：
简单轻量：没有外部依赖，适用于简单的应用场景。
内存存储：缓存数据存储在内存中的ConcurrentMap中，读写速度快，适用于快速访问和频繁更新的数据。
多缓存实例支持：支持配置多个命名缓存实例，每个实例使用独立的ConcurrentMap存储数据，可以根据不同的需求配置多个缓存实例。
缺点：
单机应用限制：ConcurrentMapCacheManager适用于单机应用，缓存数据存储在应用的内存中，无法实现分布式缓存。
有限的容量：由于缓存数据存储在内存中，ConcurrentMapCacheManager的容量受限于应用的内存大小，对于大规模数据或高并发访问的场景可能存在容量不足的问题。
缺乏持久化支持：ConcurrentMapCacheManager不支持将缓存数据持久化到磁盘或其他外部存储介质，应用重启后缓存数据会丢失。

如何让`ConcurrentMapCacheManager`支持过期自动删除

前言也提到了，我们的场景逻辑简单，缓存数据较小，不需要持久化，不希望引入其他第三方缓存工具加重应用负担，适合使用ConcurrentMapCacheManager。所以扩展下ConcurrentMapCacheManager也许是最简单的实现。

方案设计

为此，我设计了三种方案：

开启定时任务，扫描缓存，定时删除所有缓存；该方式简单粗暴，统一定时删除，但不能针对单条数据进行过期操作。
开启定时任务，扫描缓存，并将单条过期的缓存数据删除。
访问缓存数据之前，判断是否过期，若过期则重新执行方法体，并将结果覆盖原缓存数据。

上述 2、3 方案都更贴近目标，且都有一个共同的难点，即如何判断该缓存是否过期？或如何存放缓存的过期时间？

既然没有好办法，那就走一波源码找找思路吧！

源码解析

ConcurrentMapCacheManager中定义了一个cacheMap(如下代码)，用于存储所有缓存名及对应缓存对象。

private final ConcurrentMap<String, Cache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

复制代码

cacheMap中的存放的Cache的具体类型为ConcurrentMapCache，

而ConcurrentMapCache的内部定义了一个store(如下代码)，用于存储该缓存下所有 key、value，即真正的缓存数据。

private final ConcurrentMap<Object, Object> store;

复制代码

其关系图为：

以下为测试代码，为一个查询增加缓存操作：cacheName=getUsersByName,key 为参数 name 的值，value 为查询用户集合。

@Servicepublic class UserServiceImpl implements UserService {    @Autowired    private UserMapper userMapper;
    @Override    @Cacheable(value = "getUsersByName", key = "#name")    public List<GyhUser> getUsersByName(String name) {        return userMapper.getUsersByName(name);    }}

复制代码

当程序调用到此方法前，会自动进入缓存拦截器CacheInterceptor，进而进入ConcurrentMapCacheManager的getCache方法，获取对应的缓存实例，若不存在，则生成一个。

然后从缓存实例中查找缓存数据，找到则返回，找不到则执行目标方法。

执行完目标方法后，将返回结果放到缓存中。

实现自动过期删除

根据上面的代码跟踪可以发现，缓存数据 key/value 存放在具体的缓存实例ConcurrentMapCache的store中，且 get 和 put 前后，有我可以操作的空间。

那么，如果我将 value 重新包装一下，将缓存时间封装进去，并在 get 和 put 前后，将真正的缓存数据解析出来，供开发者使用，是否可以实现呢？说干就干！

/** * 缓存数据包装类，保证缓存数据及插入时间 */public class ExpireCacheWrap {    /**     * 缓存数据     */    private final Object value;    /**     * 插入时间     */    private final Long insertTime;
    public ExpireCacheWrap(Object value, Long insertTime) {        this.value = value;        this.insertTime = insertTime;    }
    public Object getValue() {        return value;    }
    public Long getInsertTime() {        return this.insertTime;    }}

复制代码

自定义一个Cache类，继承ConcurrentMapCache，扩展 get、put 方法，实现对缓存时间的记录和解析

/** * 缓存过期删除 */public class ExpireCache extends ConcurrentMapCache {    public ExpireCache(String name) {        super(name);    }
    @Override    public ValueWrapper get(Object key) {        // 解析缓存对象时，拿到value，去掉插入时间。对于业务中缓存的使用逻辑无感知无侵入，无需调整相关代码        ValueWrapper valueWrapper = super.get(key);        if (valueWrapper == null) {            return null;        }        Object storeValue = valueWrapper.get();        storeValue = storeValue != null ? ((ExpireCacheWrap) storeValue).getValue() : null;        return super.toValueWrapper(storeValue);    }
    @Override    public void put(Object key, @Nullable Object value) {        // 插入缓存对象时，封装对象信息：缓存内容+插入时间        value = new ExpireCacheWrap(value, System.currentTimeMillis());        super.put(key, value);    }}

复制代码

自定义缓存管理器，将自定义的ExpireCache，替换默认的ConcurrentMapCache

/** * 缓存管理器 */public class ExpireCacheManager extends ConcurrentMapCacheManager {    @Override    protected Cache createConcurrentMapCache(String name) {        return new ExpireCache(name);    }}

复制代码

将自定义的缓存管理器ExpireCacheManager注入到容器中

@Configurationclass ExpireCacheConfiguration {    @Bean    public ExpireCacheManager cacheManager() {        ExpireCacheManager cacheManager = new ExpireCacheManager();        return cacheManager;    }}

复制代码

开启定时任务，自动删除过期缓存

/** * 定时执行删除过期缓存 */@Component@Slf4jpublic class ExpireCacheEvictJob {
    @Autowired    private ExpireCacheManager cacheManager;    /**     * 缓存名与缓存时间     */    private static Map<String, Long> cacheNameExpireMap;    // 可以优化到配置文件或字典中    static {        cacheNameExpireMap = new HashMap<>(5);        cacheNameExpireMap.put("getUserById", 180000L);        cacheNameExpireMap.put("getUsersByName", 300000L);    }
    /**     * 5分钟执行一次     */    @Scheduled(fixedRate = 300000)    public void cacheEvict() {        Long now = System.currentTimeMillis();        // 获取所有缓存        Collection<String> cacheNames = cacheManager.getCacheNames();        for (String cacheName : cacheNames) {            // 该类缓存设置的过期时间            Long expire = cacheNameExpireMap.get(cacheName);            // 获取该缓存的缓存内容集合            Cache cache = cacheManager.getCache(cacheName);            ConcurrentMap<Object, Object> store = (ConcurrentMap) cache.getNativeCache();            Set<Object> keySet = store.keySet();            // 循环获取缓存键值对，根据value中存储的插入时间，判断key是否已过期，过期则删除            keySet.stream().forEach(key -> {                // 缓存内容包装对象                ExpireCacheWrap value = (ExpireCacheWrap) store.get(key);                // 缓存内容插入时间                Long insertTime = value.getInsertTime();                if ((insertTime + expire) < now) {                    cache.evict(key);                    log.info("key={},insertTime={},expire={},过期删除", key, insertTime, expire);                }            });        }
    }}

复制代码

通过以上操作，实现了让ConcurrentMapCacheManager支持过期自动删除，并且对开发者基本无感知无侵入，只需要在配置文件中配置缓存时间即可。

但是如果我的项目已经支持了第三方缓存如 Redis，秉着不用白不用的原则，又该如何将该功能嫁接到 Redis 上呢？

正正好我们的项目最近在引入 R2m，就试着搞一下吧^-^。

未完待续~Thanks~

作者：京东科技郭艳红
来源：京东云开发者社区

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/9d9eb25f6aa213966970b9301】。文章转载请联系作者。

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