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面試官:如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶過(guò)期時(shí)間的本地緩存?

開(kāi)發(fā) 前端
今天我們來(lái)基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全的本地緩存:LocalCache。在LocalCache中支持永久緩存與臨時(shí)緩存,永久緩存的數(shù)據(jù)一直有效,臨時(shí)緩存的數(shù)據(jù)在指定時(shí)間到期之后會(huì)自動(dòng)從緩存中移出。

在日常開(kāi)發(fā)中有很多這樣的場(chǎng)景:有一些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的配置信息,數(shù)據(jù)量不大,修改頻率不高,但是訪問(wèn)很頻繁。如果每次程序都從數(shù)據(jù)庫(kù)或集中式緩存中獲取,受限于硬盤 I/O性能、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)限制等,程序的執(zhí)行效率不高。在這樣的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中,我們可以通過(guò)本地緩存來(lái)提升數(shù)據(jù)訪問(wèn)的效率。

今天我們來(lái)基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全的本地緩存:LocalCache。在LocalCache中支持永久緩存與臨時(shí)緩存,永久緩存的數(shù)據(jù)一直有效,臨時(shí)緩存的數(shù)據(jù)在指定時(shí)間到期之后會(huì)自動(dòng)從緩存中移出。

LocalCache提供了數(shù)據(jù)安全的增、刪、改、查功能,具體方法如下所示:

方法名稱

方法說(shuō)明

put(String key , V value)

向緩存中插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)永久有效

put(String key , V value , int seconds)

向緩存中插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間生效,時(shí)間到期會(huì)從緩存中移出

containKey(String key)

判斷緩存中是否包含對(duì)應(yīng)的key

get(String key)

根據(jù)key從緩存中獲取數(shù)據(jù)

remove(String key)

移出緩存中對(duì)應(yīng)key的數(shù)據(jù)

shutdownNow()

關(guān)閉緩存池

1. 設(shè)計(jì)原理

LocalCache主要由3個(gè)部分組成:數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間、數(shù)據(jù)清理任務(wù)。數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間都采用ConcurrentHashMap來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間中Key為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的鍵,value是數(shù)據(jù)的時(shí)間戳。數(shù)據(jù)清理任務(wù)采用ScheduledThreadPoolExecutor實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度,默認(rèn)的任務(wù)線程數(shù)為1,這樣可以避免多線程帶來(lái)的并發(fā)修改問(wèn)題,同時(shí)線程都是內(nèi)存操作,這樣單線程同樣具備高性能。

本地緩存的設(shè)計(jì)如下圖所示:

圖片圖片

每次項(xiàng)緩存中插入數(shù)據(jù)時(shí),LocalCache首先會(huì)將數(shù)據(jù)插入到ConcurrentHashMap中。然后判斷有沒(méi)有設(shè)置超時(shí)時(shí)間,如果有超時(shí)時(shí)間,LocalCache會(huì)將失效時(shí)間插入到ConcurrentHashMap中,并創(chuàng)建數(shù)據(jù)清理任務(wù),之后任務(wù)提交到ScheduledThreadPoolExecutor線程池中。

每次從緩存中查詢數(shù)據(jù),LocalCache會(huì)直接從ConcurrentHashMap中讀取數(shù)據(jù)。

定時(shí)任務(wù)線程池會(huì)按照超時(shí)時(shí)間來(lái)觸發(fā)數(shù)據(jù)清理任務(wù),數(shù)據(jù)清理任務(wù)會(huì)從數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)的緩存池中獲取Key對(duì)應(yīng)的時(shí)間,判斷當(dāng)前Key對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到期了。如果數(shù)據(jù)已經(jīng)到期了,LocalCache會(huì)調(diào)用remove方法將數(shù)據(jù)從緩存池中移除。

2. 實(shí)現(xiàn)方案

LocalCache作為本地緩存的接口,定義了數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)查詢的相關(guān)接口方法。DefaultLocalCache 定義了兩個(gè)ConcurrentHashMap變量:dataMap和timeOutMap。dataMap用來(lái)緩存數(shù)據(jù)信息,timeOutMap用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)失效的時(shí)間戳,同時(shí)還定義了數(shù)據(jù)清理任務(wù)ClearTask,ClearTask負(fù)責(zé)將過(guò)期的數(shù)據(jù)從dataMap中移除。UML圖如下所示:

圖片圖片

3. 代碼展示

3.1 接口定義

public interface LocalCache<V> {
    /**
     * 插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)永久有效
     */
    boolean put(String key, V value);

    /**
     * 插入數(shù)據(jù),在指定時(shí)間內(nèi)生效
     */
    boolean put(String key, V value, int seconds);

    /**
     * 是否包含指定的key
     */
    boolean containKey(String key);

    /**
     * 獲取指定Key的值
     */
    V get(String key);

    /**
     * 從緩存中移除key對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)
     */
    void remove(String key);

    void shutdownNow();
}

在接口LocalCache中定義了兩個(gè)數(shù)據(jù)插入的put接口:一個(gè)沒(méi)有到期時(shí)間,另一個(gè)有到期時(shí)間。沒(méi)有到期時(shí)間表示數(shù)據(jù)永久有效,有到期時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)在到期后從緩存中移除。

接口實(shí)現(xiàn)

在接口實(shí)現(xiàn)DefaultLocalCache內(nèi)部定義了三個(gè)常量:緩存的默認(rèn)大小DEFAULT_CAPACITY、最大容量MAX_CAPACITY、定時(shí)線程池的大小DEFAULT_THREAD_SIZE。核心代碼如下:

public class DefaultLocalCache<V> implements LocalCache<V> {
    // 默認(rèn)容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 1024;
    private static final int MAX_CAPACITY = 100000;

    private static final int DEFAULT_THREAD_SIZE = 1;

    private final int maxSize;

    //數(shù)據(jù)map
    private volatile ConcurrentHashMap<String,V> dataMap;
    //過(guò)期時(shí)間
    private final ConcurrentHashMap<String,Long> timeOutMap;

    //定時(shí)任務(wù)
    private final ScheduledExecutorService executorService;

    public DefaultLocalCache() {
        maxSize = MAX_CAPACITY;
        dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
    }

    public DefaultLocalCache(int size) {
        maxSize = size;
        dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
    }

    @Override
    public boolean put(String key, V value) {
        //檢查容量
        if(checkCapacity()){
            dataMap.put(key,value);
            return true;
        }
        return false;
    }



    @Override
    public boolean put(String key, V value, int seconds) {
        if(checkCapacity()){
            dataMap.put(key,value);
            if(seconds >= 0){
                timeOutMap.put(key,getTimeOut(seconds));
                ClearTask task = new ClearTask(key);
                executorService.schedule(task, seconds, TimeUnit.SECONDS);
            }
        }
        return false;
    }

 ......

    class ClearTask implements Runnable{
        private String key;

        public ClearTask(String key){
            this.key = key;
        }
        @Override
        public void run() {
            //判斷緩存中是否有key
            if(timeOutMap.contains(key)){
                //獲取失效時(shí)間
                Long expire = timeOutMap.get(key);
                //如果失效時(shí)間大于0,并且比當(dāng)前時(shí)間小,則刪除緩存
                if(expire > 0){
                    long now = System.currentTimeMillis();
                    if(now >= expire){
                        remove(key);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

在LocalCache的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)DefaultLocalCache中,基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor結(jié)合使用,使得LocalCache支持永久緩存與臨時(shí)緩存兩種能力。

責(zé)任編輯:武曉燕 來(lái)源: JAVA日知錄
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