注解式兩級緩存服務框架設計與構建

作者：王云朋 2022-12-16 12:16:21

開發架構

緩存在現代計算機系統中無處不在，各式各樣硬件和軟件的組合構成和管理著緩存，一個編寫良好的計算機程序傾向于展示出良好的局部性。

前言

緩存在現代計算機系統中無處不在，各式各樣硬件和軟件的組合構成和管理著緩存，一個編寫良好的計算機程序傾向于展示出良好的局部性。

在高性能服務架構設計中，緩存是一個不可或缺的環節。以Java體系為例，我們從傳統的硬編碼方式使用緩存到基于注解的spring-cache框架，確實大大提升了我們的效率，代碼也更加的簡潔易維護。

但隨著越來越多的項目使用spring-cache，場景越來越復雜，我們逐漸發現緩存配置代碼重復、緩存策略不能在注解上直接配置、不支持多級緩存、不支持自動刷新緩存等問題逐漸突顯。

基于這些在業務中遇到的問題點，我們構建了一套注解式兩級緩存服務框架。在實際設計和構建過程中積累了一些經驗，借此機會分享給大家，希望對業務中使用緩存尤其使用spring-cache場景的可以提供一些幫助。

1. spring-cache簡介

Spring 3.1之后，引入了注解緩存技術，其本質上不是一個具體的緩存實現方案，而是一個對緩存使用的抽象，不僅能夠使用SpEL（Spring Expression Language）來定義緩存的key和各種condition，還提供開箱即用的緩存臨時存儲方案，也支持和主流的專業緩存集成。

事物都有兩面性，優點如此優秀，那么缺點或不足是否也是如此的突出呢？

spring-cache問題點（我們認為）
不支持緩存策略在注解上設置，每個方法的緩存策略需要單獨硬編碼方式配置
不支持多級緩存
不支持自動刷新緩存
不支持緩存統計看板
不支持熔斷降級
不支持數據壓縮
代碼重復不易維護

基于以上我們認為的問題點，我們造了一個輪子，來試圖解決這些問題，這個輪子就是“注解式兩級緩存框架”。

2. 注解式兩級緩存框架簡介

是一個注解式兩級緩存框架：通過注解實現聲明式的方法緩存，使用方式和spring-cache類似，提供了比spring-cache更加強大的注解。
是一個全新的注解式兩級緩存框架：一級緩存使用本地緩存(目前只支持Caffeine，后續可擴展)，二級緩存使用集中式緩存(目前只支持Redis)。目前支持三種緩存策略：

只使用一級緩存

只使用二級緩存

同時用兩級緩存

2.1全部特性

支持TTL在注解上直接配置
支持本地緩存容量在注解上直接配置
支持condition在注解上直接配置，指定符合條件的情況下才緩存
支持緩存Key的SpEL表達式、自定義生成策略（已提供默認生成策略）
支持只使用一級緩存或者只使用二級緩存或者使用兩級緩存
支持value序列化策略配置，默認GenericJackson2JsonRedisSerializer
支持異步加載緩存的方式
支持自動刷新緩存
redis客戶端選擇
支持熔斷與降級 --- 延遲支持
支持緩存數據壓縮 --- 延遲支持
支持緩存一致性 --- 延遲支持
支持緩存監控統計看板 --- 延遲支持
支持自定義緩存中間件 --- 延遲支持
支持緩存接口用于手工緩存操作 --- 延遲支持

前菜我們品完了，接下來我們開始正餐，一步步介紹下設計思路，聊下如何站在spring-cache巨人肩膀上，試圖解決上述問題點的。

3. 注解式兩級緩存框架架構設計

3.1注解@EnableCache

1、注解@EnableCache導入CacheConfigurationSelector。

CacheConfigurationSelector向容器內注入了AutoProxyRegistrar和ProxyCacheAutoConfiguration這兩個Bean

2、AutoProxyRegistrar會確保容器中存在一個自動代理創建器(APC)，緩存的代理對象最終是委托給自動代理創建器來完成。

AutoProxyRegistrar在容器啟動階段對每個bean創建進行處理，如果bean中有方法標記了cache注解，為其創建代理對象，包裹定義的CacheOperationSourceAdvisor bean

3、ProxyCacheAutoConfiguration向容器定義如下基礎設施bean。

CacheOperationSourceAdvisor 用于管理CacheOperationSource和CacheInterceptor， CacheOperationSource 用于獲取方法調用時最終應用的Cache注解的元數據， CacheInterceptor 包裹在目標bean外面用于操作Cache的AOP Advice

3.2攔截器

由于AutoProxyRegistrar在容器啟動階段會對標有cache注解的bean創建代理對象，這時我們可以獲取到具體方法和注解元數據，我們針對兩部分數據進行綁定提前緩存起來，這樣目標方法調用時直接從緩存中獲取元數據即可，避免了反射效率低下影響性能。

1、根據目標方法和目標類獲取注解元數據，元數據包括緩存名稱、緩存key、過期時間、自動刷新時間、本地緩存容量、緩存類型、緩存條件等。

2、根據緩存條件是否走注解緩存，緩存條件支持SpEL表達式，如果為false則直接執行目標方法，為ture走緩存邏輯。

3、生成key：支持SpEL表達式，可以自定義生成規則，默認規則：命名空間、所屬類名稱、方法名稱、方法參數以冒號相連。

4、獲取cache：根據cacheName和cacheType獲取cache，對應cache有本地cache、遠程cache、兩級cache，根據key獲取緩存結果，緩存結果為空則執行目標方法并對結果緩存，反之直接返回緩存結果。

3.3獲取cache組件

cache實現類有三種LocalCache、RemoteCache和TwoLevelCache，每個緩存實現類集成了具體的緩存中間件，LocalCache可以集成Caffeine、Guava、ehCache等， RemoteCache可以集成Redis、Memcache等，TwoLevelCache是LocalCache和RemoteCache組合實現。

1、CacheManagerContainer管理著所有的CacheManager，每個cacheType對應一個CacheManager的實現。

2、CacheManager提供了cache實現bean的創建，管理著多個cache，每個cache有對應的cacheName，每個應用里可以通過cacheName來對cache進行隔離，如果cacheName對應的cache不存在則會注冊一個新的cache。

3、Cache接口提供了緩存的具體操作，例如放入，讀取，清理等。

3.4兩級緩存

兩級緩存的產生是因為遠程緩存有網絡開銷，大量的緩存讀取會導致遠程緩存網絡成為整個系統的瓶頸，本地緩存是和應用程序在一個進程內，請求緩存速度快，沒有過多的網絡開銷，加入本地緩存目標是降低對遠程緩存的讀取次數，減輕網絡開銷，從而再次提升程序的響應速度與服務性能。

1、從本地緩存讀出數據，如果存在則直接返回，進行后續具體業務邏輯。

2、本地緩存如果不存在則讀取遠程緩存，遠程緩存如果存在則更新本地緩存，不存在則從數據源讀取，然后依次更新遠程緩存、本地緩存，然后進行后續具體業務邏輯。

3.5自動刷新緩存

防止某個緩存失效時，訪問量突然大增，所有請求訪問數據庫，可能導致數據庫掛掉；適用場景：key數量比較少，訪問量大，加載開銷較大的情況。

1、緩存讀取時如果元數據自動刷新時間有值，會根據緩存key、目標方法、刷新時間創建一個給定初始延遲的間隔性的任務，任務自動執行間隔為自動刷新時間，任務執行時會根據緩存key、目標方法重新加載緩存，保持緩存一直生效。

2、根據自動刷新時間會生成一個停止刷新時間，如果緩存key訪問間隔時間超過了停止刷新時間或者緩存key過期，會刪除該定時任務，釋放資源，避免無效的刷新緩存。

3、兩級緩存刷新緩存順序為：先刷新遠程緩存，然后根據Redis的pub/sub模式去監測和操作本地cache的刪除動作，隨后第一次請求會檢查本地緩存--->再檢查Redis緩存--->回源。

4、遠程緩存自動刷新使用分布式鎖，對同一key，全局只有一臺機器自動刷新。

3.6注解@Cacheable

1、 @Cacheable可以作用在方法上，也可以標記在一個類上，當標記在一個方法上時表示該方法是支持緩存的，當標記在一個類上時則表示該類所有的方法都是支持緩存的

名稱	默認值	說明
value	空字符串	緩存名稱，cacheName的別名
cacheName	空字符串	緩存名稱
key	空字符串	緩存key，支持SpEL表達式，提供默認生成策略
ttl	10分鐘	過期時間，d/h/m/s四種時間單位選擇，分別代表天/時/分/秒， ttl="10m"表示10分鐘過期時間
refreshTime	空字符串	自動刷新時間，d/h/m/s四種時間單位選擇，分別代表天/時/分/秒
maximumSize	5000	本地緩存容量
cacheType	REMOTE	緩存類型，LOCAL/REMOTE/BOTH三種選擇，分別代表本地緩存/集中式緩存/兩級緩存
condition	空字符串	指定符合條件的情況下才緩存，為空則認為全部無條件緩存，支持SpEL表達式

2、key默認生成規則：命名空間、所屬類名稱、方法名稱、方法參數以冒號相連。

3、如果設置ttl為空：表示緩存永不過期。

3.7緩存配置

這里舉個例子，具體的參數值，根據自己業務情況自行調整。

auto:
  cache:
    local:
      type: caffeine
    remote:
      type: redis
      host: localhost #服務器地址
      port: 6379 #服務器連接端口
      timeout: 2000 #連接超時時間（毫秒）
      pool:
        min-idle: 2 #最小空閑連接數
        max-idle: 10 #最大空閑連接數
        max-active: 20 #連接池的最大數據庫連接數
        max-wait: 200 #最大建立連接等待時間
      key-serializer: org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer #key序列化策略
      value-serializer: org.springframework.data.redis.serializer.GenericJackson2JsonRedisSerializer #value序列化策略
    namespace: testCache # 緩存的命名空間前綴，最終緩存格式為：testCache:xxx:xx
    allow-null-values: true #防止緩存穿透