真正的缓存之王，Google Guava 只是弟弟

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正文

前面刚说到Guava Cache，他的优点是封装了get，put操作；提供线程安全的缓存操作；提供过期策略；提供回收策略；缓存监控。当缓存的数据超过最大值时，使用LRU算法替换。这一篇我们将要谈到一个新的本地缓存框架：Caffeine Cache。它也是站在巨人的肩膀上-Guava Cache，借着他的思想优化了算法发展而来。

本篇博文主要介绍Caffine Cache 的使用方式，以及Caffine Cache在SpringBoot中的使用。

1. Caffine Cache 在算法上的优点-W-TinyLFU

说到优化，Caffine Cache到底优化了什么呢？我们刚提到过LRU，常见的缓存淘汰算法还有FIFO，LFU：

1. FIFO：先进先出，在这种淘汰算法中，先进入缓存的会先被淘汰，会导致命中率很低。
2. LRU：最近最少使用算法，每次访问数据都会将其放在我们的队尾，如果需要淘汰数据，就只需要淘汰队首即可。仍然有个问题，如果有个数据在 1 分钟访问了 1000次，再后 1 分钟没有访问这个数据，但是有其他的数据访问，就导致了我们这个热点数据被淘汰。
3. LFU：最近最少频率使用，利用额外的空间记录每个数据的使用频率，然后选出频率最低进行淘汰。这样就避免了 LRU 不能处理时间段的问题。

上面三种策略各有利弊，实现的成本也是一个比一个高，同时命中率也是一个比一个好。Guava Cache虽然有这么多的功能，但是本质上还是对LRU的封装，如果有更优良的算法，并且也能提供这么多功能，相比之下就相形见绌了。

LFU的局限性 ：在 LFU 中只要数据访问模式的概率分布随时间保持不变时，其命中率就能变得非常高。比如有部新剧出来了，我们使用 LFU 给他缓存下来，这部新剧在这几天大概访问了几亿次，这个访问频率也在我们的 LFU 中记录了几亿次。但是新剧总会过气的，比如一个月之后这个新剧的前几集其实已经过气了，但是他的访问量的确是太高了，其他的电视剧根本无法淘汰这个新剧，所以在这种模式下是有局限性。

LRU的优点和局限性 ：LRU可以很好的应对突发流量的情况，因为他不需要累计数据频率。但LRU通过历史数据来预测未来是局限的，它会认为最后到来的数据是最可能被再次访问的，从而给与它最高的优先级。

在现有算法的局限性下，会导致缓存数据的命中率或多或少的受损，而命中略又是缓存的重要指标。HighScalability网站刊登了一篇文章，由前Google工程师发明的W-TinyLFU——一种现代的缓存 。Caffine Cache就是基于此算法而研发。Caffeine 因使用 Window TinyLfu 回收策略，提供了一个 近乎最佳的命中率 。

当数据的访问模式不随时间变化的时候，LFU的策略能够带来最佳的缓存命中率。然而LFU有两个缺点：

首先，它需要给每个记录项维护频率信息，每次访问都需要更新，这是个巨大的开销；

其次，如果数据访问模式随时间有变，LFU的频率信息无法随之变化，因此早先频繁访问的记录可能会占据缓存，而后期访问较多的记录则无法被命中。

因此，大多数的缓存设计都是基于LRU或者其变种来进行的。相比之下，LRU并不需要维护昂贵的缓存记录元信息，同时也能够反应随时间变化的数据访问模式。然而，在许多负载之下，LRU依然需要更多的空间才能做到跟LFU一致的缓存命中率。因此，一个“现代”的缓存，应当能够综合两者的长处。

TinyLFU维护了近期访问记录的频率信息，作为一个过滤器，当新记录来时，只有满足TinyLFU要求的记录才可以被插入缓存。如前所述，作为现代的缓存，它需要解决两个挑战：

一个是如何避免维护频率信息的高开销；

另一个是如何反应随时间变化的访问模式。

首先来看前者，TinyLFU借助了数据流Sketching技术，Count-Min Sketch显然是解决这个问题的有效手段，它可以用小得多的空间存放频率信息，而保证很低的False Positive Rate。但考虑到第二个问题，就要复杂许多了，因为我们知道，任何Sketching数据结构如果要反应时间变化都是一件困难的事情，在Bloom Filter方面，我们可以有Timing Bloom Filter，但对于CMSketch来说，如何做到Timing CMSketch就不那么容易了。TinyLFU采用了一种基于滑动窗口的时间衰减设计机制，借助于一种简易的reset操作：每次添加一条记录到Sketch的时候，都会给一个计数器上加1，当计数器达到一个尺寸W的时候，把所有记录的Sketch数值都除以2，该reset操作可以起到衰减的作用 。

W-TinyLFU主要用来解决一些稀疏的突发访问元素。在一些数目很少但突发访问量很大的场景下，TinyLFU将无法保存这类元素，因为它们无法在给定时间内积累到足够高的频率。因此W-TinyLFU就是结合LFU和LRU，前者用来应对大多数场景，而LRU用来处理突发流量。

在处理频率记录的方案中，你可能会想到用hashMap去存储，每一个key对应一个频率值。那如果数据量特别大的时候，是不是这个hashMap也会特别大呢。由此可以联想到 Bloom Filter，对于每个key，用n个byte每个存储一个标志用来判断key是否在集合中。原理就是使用k个hash函数来将key散列成一个整数。

在W-TinyLFU中使用Count-Min Sketch记录我们的访问频率，而这个也是布隆过滤器的一种变种。如下图所示:

如果需要记录一个值，那我们需要通过多种Hash算法对其进行处理hash，然后在对应的hash算法的记录中+1，为什么需要多种hash算法呢？由于这是一个压缩算法必定会出现冲突，比如我们建立一个byte的数组，通过计算出每个数据的hash的位置。比如张三和李四，他们两有可能hash值都是相同，比如都是1那byte[1]这个位置就会增加相应的频率，张三访问1万次，李四访问1次那byte[1]这个位置就是1万零1，如果取李四的访问评率的时候就会取出是1万零1，但是李四命名只访问了1次啊，为了解决这个问题，所以用了多个hash算法可以理解为long[][]二维数组的一个概念，比如在第一个算法张三和李四冲突了，但是在第二个，第三个中很大的概率不冲突，比如一个算法大概有1%的概率冲突，那四个算法一起冲突的概率是1%的四次方。通过这个模式我们取李四的访问率的时候取所有算法中，李四访问最低频率的次数。所以他的名字叫Count-Min Sketch。

2. 使用

Caffeine Cache 的github地址：点我。

目前的最新版本是：

    <dependency>
        <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
        <artifactId>caffeine</artifactId>
        <version>2.6.2</version>
    </dependency>

2.1 缓存填充策略

Caffeine Cache提供了三种缓存填充策略：手动、同步加载和异步加载。

1.手动加载

在每次get key的时候指定一个同步的函数，如果key不存在就调用这个函数生成一个值。

    /**
         * 手动加载
         * @param key
         * @return
         */
    public Object manulOperator(String key) {
        Cache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS)
            .expireAfterAccess(1, TimeUnit.SECONDS)
            .maximumSize(10)
            .build();
        //如果一个key不存在，那么会进入指定的函数生成value
        Object value = cache.get(key, t -> setValue(key).apply(key));
        cache.put("hello",value);
    
        //判断是否存在如果不存返回null
        Object ifPresent = cache.getIfPresent(key);
        //移除一个key
        cache.invalidate(key);
        return value;
    }
    
    public Function<String, Object> setValue(String key){
        return t -> key + "value";
    }

3. 异步加载

AsyncLoadingCache是继承自LoadingCache类的，异步加载使用Executor去调用方法并返回一个CompletableFuture。异步加载缓存使用了响应式编程模型。

如果要以同步方式调用时，应提供CacheLoader。要以异步表示时，应该提供一个AsyncCacheLoader，并返回一个CompletableFuture。

    	/**
         * 异步加载
         *
         * @param key
         * @return
         */
    public Object asyncOperator(String key){
        AsyncLoadingCache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
            .maximumSize(100)
            .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
            .buildAsync(k -> setAsyncValue(key).get());
    
        return cache.get(key);
    }
    
    public CompletableFuture<Object> setAsyncValue(String key){
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return key + "value";
        });
    }

2.2 回收策略

Caffeine提供了3种回收策略：基于大小回收，基于时间回收，基于引用回收。

1. 基于大小的过期方式

基于大小的回收策略有两种方式：一种是基于缓存大小，一种是基于权重。

    // 根据缓存的计数进行驱逐
    LoadingCache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(10000)
        .build(key -> function(key));
    
    
    // 根据缓存的权重来进行驱逐（权重只是用于确定缓存大小，不会用于决定该缓存是否被驱逐）
    LoadingCache<String, Object> cache1 = Caffeine.newBuilder()
        .maximumWeight(10000)
        .weigher(key -> function1(key))
        .build(key -> function(key));

maximumWeight与maximumSize不可以同时使用。

2.基于时间的过期方式

    // 基于固定的到期策略进行退出
    LoadingCache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
        .expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES)
        .build(key -> function(key));
    LoadingCache<String, Object> cache1 = Caffeine.newBuilder()
        .expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
        .build(key -> function(key));
    
    // 基于不同的到期策略进行退出
    LoadingCache<String, Object> cache2 = Caffeine.newBuilder()
        .expireAfter(new Expiry<String, Object>() {
            @Override
            public long expireAfterCreate(String key, Object value, long currentTime) {
                return TimeUnit.SECONDS.toNanos(seconds);
            }
    
            @Override
            public long expireAfterUpdate(@Nonnull String s, @Nonnull Object o, long l, long l1) {
                return 0;
            }
    
            @Override
            public long expireAfterRead(@Nonnull String s, @Nonnull Object o, long l, long l1) {
                return 0;
            }
        }).build(key -> function(key));

Caffeine提供了三种定时驱逐策略：

expireAfterAccess(long, TimeUnit):在最后一次访问或者写入后开始计时，在指定的时间后过期。假如一直有请求访问该key，那么这个缓存将一直不会过期。
expireAfterWrite(long, TimeUnit): 在最后一次写入缓存后开始计时，在指定的时间后过期。
expireAfter(Expiry): 自定义策略，过期时间由Expiry实现独自计算。
缓存的删除策略使用的是惰性删除和定时删除。这两个删除策略的时间复杂度都是O(1)。

3. 基于引用的过期方式

Java中四种引用类型

    // 当key和value都没有引用时驱逐缓存
    LoadingCache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
        .weakKeys()
        .weakValues()
        .build(key -> function(key));
    
    // 当垃圾收集器需要释放内存时驱逐
    LoadingCache<String, Object> cache1 = Caffeine.newBuilder()
        .softValues()
        .build(key -> function(key));

注意：AsyncLoadingCache不支持弱引用和软引用。

Caffeine.weakKeys()：使用弱引用存储key。如果没有其他地方对该key有强引用，那么该缓存就会被垃圾回收器回收。由于垃圾回收器只依赖于身份(identity)相等，因此这会导致整个缓存使用身份 (==) 相等来比较 key，而不是使用 equals()。

Caffeine.weakValues() ：使用弱引用存储value。如果没有其他地方对该value有强引用，那么该缓存就会被垃圾回收器回收。由于垃圾回收器只依赖于身份(identity)相等，因此这会导致整个缓存使用身份 (==) 相等来比较 key，而不是使用 equals()。

Caffeine.softValues() ：使用软引用存储value。当内存满了过后，软引用的对象以将使用最近最少使用(least-recently-used ) 的方式进行垃圾回收。由于使用软引用是需要等到内存满了才进行回收，所以我们通常建议给缓存配置一个使用内存的最大值。softValues() 将使用身份相等(identity) (==) 而不是equals() 来比较值。

Caffeine.weakValues()和Caffeine.softValues()不可以一起使用。

3. 移除事件监听

    Cache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
        .removalListener((String key, Object value, RemovalCause cause) ->
                         System.out.printf("Key %s was removed (%s)%n", key, cause))
        .build();

4. 写入外部存储

CacheWriter 方法可以将缓存中所有的数据写入到第三方。

    LoadingCache<String, Object> cache2 = Caffeine.newBuilder()
        .writer(new CacheWriter<String, Object>() {
            @Override public void write(String key, Object value) {
                // 写入到外部存储
            }
            @Override public void delete(String key, Object value, RemovalCause cause) {
                // 删除外部存储
            }
        })
        .build(key -> function(key));

如果你有多级缓存的情况下，这个方法还是很实用。

注意：CacheWriter不能与弱键或AsyncLoadingCache一起使用。

5. 统计

与Guava Cache的统计一样。

    Cache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(10_000)
        .recordStats()
        .build();

通过使用Caffeine.recordStats(), 可以转化成一个统计的集合. 通过 Cache.stats() 返回一个CacheStats。CacheStats提供以下统计方法：

    hitRate(): 返回缓存命中率
    
    evictionCount(): 缓存回收数量
    
    averageLoadPenalty(): 加载新值的平均时间

3. SpringBoot 中默认Cache-Caffine Cache

SpringBoot 1.x版本中的默认本地cache是Guava Cache。在2.x（ Spring Boot 2.0(spring 5) ）版本中已经用Caffine Cache取代了Guava Cache。毕竟有了更优的缓存淘汰策略。

下面我们来说在SpringBoot2.x版本中如何使用cache。

1. 引入依赖：

    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
        <artifactId>caffeine</artifactId>
        <version>2.6.2</version>
    </dependency>

2. 添加注解开启缓存支持

添加@EnableCaching注解：

    @SpringBootApplication
    @EnableCaching
    public class SingleDatabaseApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
            SpringApplication.run(SingleDatabaseApplication.class, args);
        }
    }

3. 配置文件的方式注入相关参数

properties文件

    spring.cache.cache-names=cache1
    spring.cache.caffeine.spec=initialCapacity=50,maximumSize=500,expireAfterWrite=10s

或Yaml文件

    spring:
      cache:
        type: caffeine
        cache-names:
        - userCache
        caffeine:
          spec: maximumSize=1024,refreshAfterWrite=60s

如果使用refreshAfterWrite配置,必须指定一个CacheLoader.不用该配置则无需这个bean,如上所述,该CacheLoader将关联被该缓存管理器管理的所有缓存，所以必须定义为CacheLoader<Object, Object>，自动配置将忽略所有泛型类型。

    import com.github.benmanes.caffeine.cache.CacheLoader;
    import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;
    
    /**
     * @author: rickiyang
     * @date: 2019/6/15
     * @description:
     */
    @Configuration
    public class CacheConfig {
    
        /**
         * 相当于在构建LoadingCache对象的时候 build()方法中指定过期之后的加载策略方法
         * 必须要指定这个Bean，refreshAfterWrite=60s属性才生效
         * @return
         */
        @Bean
        public CacheLoader<String, Object> cacheLoader() {
            CacheLoader<String, Object> cacheLoader = new CacheLoader<String, Object>() {
                @Override
                public Object load(String key) throws Exception {
                    return null;
                }
                // 重写这个方法将oldValue值返回回去，进而刷新缓存
                @Override
                public Object reload(String key, Object oldValue) throws Exception {
                    return oldValue;
                }
            };
            return cacheLoader;
        }
    }

Caffeine常用配置说明：

    initialCapacity=[integer]: 初始的缓存空间大小
    
    maximumSize=[long]: 缓存的最大条数
    
    maximumWeight=[long]: 缓存的最大权重
    
    expireAfterAccess=[duration]: 最后一次写入或访问后经过固定时间过期
    
    expireAfterWrite=[duration]: 最后一次写入后经过固定时间过期
    
    refreshAfterWrite=[duration]: 创建缓存或者最近一次更新缓存后经过固定的时间间隔，刷新缓存
    
    weakKeys: 打开key的弱引用
    
    weakValues：打开value的弱引用
    
    softValues：打开value的软引用
    
    recordStats：开发统计功能
    
    注意：
    
    expireAfterWrite和expireAfterAccess同时存在时，以expireAfterWrite为准。
    
    maximumSize和maximumWeight不可以同时使用
    
    weakValues和softValues不可以同时使用

需要说明的是，使用配置文件的方式来进行缓存项配置，一般情况能满足使用需求，但是灵活性不是很高，如果我们有很多缓存项的情况下写起来会导致配置文件很长。所以一般情况下你也可以选择使用bean的方式来初始化Cache实例。

下面的演示使用bean的方式来注入：

    package com.rickiyang.learn.cache;
    
    import com.github.benmanes.caffeine.cache.CacheLoader;
    import com.github.benmanes.caffeine.cache.Caffeine;
    import org.apache.commons.compress.utils.Lists;
    import org.springframework.cache.CacheManager;
    import org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache;
    import org.springframework.cache.support.SimpleCacheManager;
    import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;
    import org.springframework.context.annotation.Primary;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /**
     * @author: rickiyang
     * @date: 2019/6/15
     * @description:
     */
    @Configuration
    public class CacheConfig {
    
    
        /**
         * 创建基于Caffeine的Cache Manager
         * 初始化一些key存入
         * @return
         */
        @Bean
        @Primary
        public CacheManager caffeineCacheManager() {
            SimpleCacheManager cacheManager = new SimpleCacheManager();
            ArrayList<CaffeineCache> caches = Lists.newArrayList();
            List<CacheBean> list = setCacheBean();
            for(CacheBean cacheBean : list){
                caches.add(new CaffeineCache(cacheBean.getKey(),
                        Caffeine.newBuilder().recordStats()
                                .expireAfterWrite(cacheBean.getTtl(), TimeUnit.SECONDS)
                                .maximumSize(cacheBean.getMaximumSize())
                                .build()));
            }
            cacheManager.setCaches(caches);
            return cacheManager;
        }
    
    
        /**
         * 初始化一些缓存的 key
         * @return
         */
        private List<CacheBean> setCacheBean(){
            List<CacheBean> list = Lists.newArrayList();
            CacheBean userCache = new CacheBean();
            userCache.setKey("userCache");
            userCache.setTtl(60);
            userCache.setMaximumSize(10000);
    
            CacheBean deptCache = new CacheBean();
            deptCache.setKey("userCache");
            deptCache.setTtl(60);
            deptCache.setMaximumSize(10000);
    
            list.add(userCache);
            list.add(deptCache);
    
            return list;
        }
    
        class CacheBean {
            private String key;
            private long ttl;
            private long maximumSize;
    
            public String getKey() {
                return key;
            }
    
            public void setKey(String key) {
                this.key = key;
            }
    
            public long getTtl() {
                return ttl;
            }
    
            public void setTtl(long ttl) {
                this.ttl = ttl;
            }
    
            public long getMaximumSize() {
                return maximumSize;
            }
    
            public void setMaximumSize(long maximumSize) {
                this.maximumSize = maximumSize;
            }
        }
    
    }

创建了一个SimpleCacheManager作为Cache的管理对象，然后初始化了两个Cache对象，分别存储user，dept类型的缓存。当然构建Cache的参数设置我写的比较简单，你在使用的时候酌情根据需要配置参数。

4. 使用注解来对 cache 增删改查

我们可以使用spring提供的 @Cacheable、@CachePut、@CacheEvict等注解来方便的使用caffeine缓存。

如果使用了多个cahce，比如redis、caffeine等，必须指定某一个CacheManage为@primary，在@Cacheable注解中没指定 cacheManager 则使用标记为primary的那个。

cache方面的注解主要有以下5个：

• @Cacheable 触发缓存入口（这里一般放在创建和获取的方法上，@Cacheable注解会先查询是否已经有缓存，有会使用缓存，没有则会执行方法并缓存）
• @CacheEvict 触发缓存的eviction（用于删除的方法上）
• @CachePut 更新缓存且不影响方法执行（用于修改的方法上，该注解下的方法始终会被执行）
• @Caching 将多个缓存组合在一个方法上（该注解可以允许一个方法同时设置多个注解）
• @CacheConfig 在类级别设置一些缓存相关的共同配置（与其它缓存配合使用）

说一下@Cacheable 和 @CachePut的区别：

@Cacheable：它的注解的方法是否被执行取决于Cacheable中的条件，方法很多时候都可能不被执行。

@CachePut：这个注解不会影响方法的执行，也就是说无论它配置的条件是什么，方法都会被执行，更多的时候是被用到修改上。

简要说一下Cacheable类中各个方法的使用：

    public @interface Cacheable {
    
        /**
         * 要使用的cache的名字
         */
        @AliasFor("cacheNames")
        String[] value() default {};
    
        /**
         * 同value()，决定要使用那个/些缓存
         */
        @AliasFor("value")
        String[] cacheNames() default {};
    
        /**
         * 使用SpEL表达式来设定缓存的key，如果不设置默认方法上所有参数都会作为key的一部分
         */
        String key() default "";
    
        /**
         * 用来生成key，与key()不可以共用
         */
        String keyGenerator() default "";
    
        /**
         * 设定要使用的cacheManager，必须先设置好cacheManager的bean，这是使用该bean的名字
         */
        String cacheManager() default "";
    
        /**
         * 使用cacheResolver来设定使用的缓存，用法同cacheManager，但是与cacheManager不可以同时使用
         */
        String cacheResolver() default "";
    
        /**
         * 使用SpEL表达式设定出发缓存的条件，在方法执行前生效
         */
        String condition() default "";
    
        /**
         * 使用SpEL设置出发缓存的条件，这里是方法执行完生效，所以条件中可以有方法执行后的value
         */
        String unless() default "";
    
        /**
         * 用于同步的，在缓存失效（过期不存在等各种原因）的时候，如果多个线程同时访问被标注的方法
         * 则只允许一个线程通过去执行方法
         */
        boolean sync() default false;
    
    }

基于注解的使用方法：

    package com.rickiyang.learn.cache;
    
    import com.rickiyang.learn.entity.User;
    import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;
    import org.springframework.cache.annotation.CachePut;
    import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
    import org.springframework.stereotype.Service;
    
    /**
     * @author: rickiyang
     * @date: 2019/6/15
     * @description: 本地cache
     */
    @Service
    public class UserCacheService {
    
    
        /**
         * 查找
         * 先查缓存，如果查不到，会查数据库并存入缓存
         * @param id
         */
        @Cacheable(value = "userCache", key = "#id", sync = true)
        public void getUser(long id){
            //查找数据库
        }
    
        /**
         * 更新/保存
         * @param user
         */
        @CachePut(value = "userCache", key = "#user.id")
        public void saveUser(User user){
            //todo 保存数据库
        }
    
    
        /**
         * 删除
         * @param user
         */
        @CacheEvict(value = "userCache",key = "#user.id")
        public void delUser(User user){
            //todo 保存数据库
        }
    }

如果你不想使用注解的方式去操作缓存，也可以直接使用SimpleCacheManager获取缓存的key进而进行操作。

注意到上面的key使用了spEL 表达式。Spring Cache提供了一些供我们使用的SpEL上下文数据，下表直接摘自Spring官方文档：

注意：

1.当我们要使用root对象的属性作为key时我们也可以将“#root”省略，因为Spring默认使用的就是root对象的属性。如

    @Cacheable(key = "targetClass + methodName +#p0")

2.使用方法参数时我们可以直接使用“#参数名”或者“#p参数index”。如：

    @Cacheable(value="userCache", key="#id")
    @Cacheable(value="userCache", key="#p0")

SpEL提供了多种运算符