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guava cache详细介绍

回望这一段人生 2022-06-20 阅读 107
缓存ide加载编程语言

官方文档：​​https://github.com/google/guava/wiki/CachesExplained​​

guava cache是google开源的一款本地缓存工具库，它的设计灵感来源于ConcurrentHashMap，使用多个segments方式的细粒度锁，在保证线程安全的同时，支持高并发场景需求，同时支持多种类型的缓存清理策略，包括基于容量的清理、基于时间的清理、基于引用的清理等。

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>19.0</version>
</dependency>

一、创建缓存的两种方式

根据官网上介绍，使用guava cache先问自己一个问题：是否存在一个默认函数来加载或计算与键关联的值？如果是这样，则应使用CacheLoader。如果不是这样，但仍希望使用原子的“ get-if-absent-compute”语义，则应将Callable传递给get调用。虽然可以使用Cache.put直接插入元素，但是首选自动缓存加载，因为这样可以更轻松地推断所有缓存内容的一致性（毕竟是原子的语义操作）。

1、CacheLoader的方式：

LoadingCache<Key, Graph> graphs = CacheBuilder.newBuilder()
       .maximumSize(1000)
       .build(
           new CacheLoader<Key, Graph>() {
             public Graph load(Key key) throws AnyException {
               return createExpensiveGraph(key);
             }
           });
...
try {
  return graphs.get(key);
} catch (ExecutionException e) {
  throw new OtherException(e.getCause());
}

...
//或者使用下面方法，不抛出异常
return graphs.getUnchecked(key);

在每次从cache中get(K)时，如果不存在会自动调用load方法原子的将值计算出来并加到缓存中。（调用load方法是同步的）

1）get(K)和getUnchecked(K)方法：

由于CacheLoader可能会引发异常，因此LoadingCache.get（K）会引发ExecutionException。还可以选择使用getUnchecked（K）方法获取值，不抛出异常。

2）批量get和批量load：

getAll(Iterable<? extendsK>)方法用来执行批量查询。默认情况下，对每个不在缓存中的键，getAll方法会单独调用CacheLoader.load来加载缓存项。如果批量的加载比多个单独加载更高效，可以重载CacheLoader.loadAll来利用这一点提示getAll(Iterable)的性能。看一个例子：

public LoadingCache<String, String> caches = CacheBuilder
  .newBuilder().maximumSize(100)
  .expireAfterWrite(100, TimeUnit.SECONDS) // 根据写入时间过期
  .build(new CacheLoader<String, String>() {
    @Override
    public String load(final String key) {
      return getSchema(key);
    }
        
    @Override
    public Map<String,String> loadAll(final Iterable<? extends String> keys) throws Exception {
            //com.google.common.collect.Lists
      ArrayList<String> keysList = Lists.newArrayList(keys);
      return getSchemas(keysList);
    }
});

private static Map<String,String> getSchemas(List<String> keys) {
    Map<String,String> map = new HashMap<>();
    
    //...
    System.out.println("loadall...");
    return map;
}

List<String> keys = new ArrayList<>();
keys.add("key2");
keys.add("key3");

try {
  caches.getAll(keys);
} catch (ExecutionException e1) {
  e1.printStackTrace();
}

注意：expireAfterWrite时guava重新加载数据时使用的是load方法，不会调用loadAll。

见：​

2、callable方式：

LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder
    .newBuilder().maximumSize(100)
    .expireAfterWrite(100, TimeUnit.SECONDS) // 根据写入时间过期
    .build(new CacheLoader<String, String>() {
        @Override
        public String load(String key) {
            return getSchema(key);
        }
});

private static String getSchema(String key) {
    System.out.println("load...");
    return key+"schema";
}

try {
    String value = cache.get("key4", new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                System.out.println("i am callable...");
                return "i am callable...";
            }
      });
    System.out.println(value);
} catch (ExecutionException e1) {
    e1.printStackTrace();
}
//输出值：i am callable...

或者：

Cache<String, String> cache2 = CacheBuilder.newBuilder()
    .maximumSize(1000)
    .expireAfterWrite(100, TimeUnit.SECONDS) // 根据写入时间过期
    .build(); // look Ma, no CacheLoader

try {
  String value = cache2.get("key4", new Callable<String>() {
      @Override
      public String call() throws Exception {
        System.out.println("i am callable...");
        return "i am callable...";
      }
    });
  System.out.println(value);
} catch (ExecutionException e1) {
  e1.printStackTrace();
}

 callable同样实现了原子的“ get-if-absent-compute”语义。上面两个例子说明：无论是LoadingCache还是Cache都可以使用callable的方式，需要说明的是：

1）Cache类型的缓存只能使用Callable的方式get（K，Callable）方法；

2）LoadingCache类型的缓存，可以使用get（K）或get（K，Callable）方法，并且如果使用的是get（K，Callable）方法，当K值不存在时，使用的是Callable计算值，不走load方法计算，然后将值放入缓存。

3、显示插入：

除了上面两种方式创建缓存外，还可以显示的使用put(K,V)方法，将值放入缓存中。但是这种方法没有“ get-if-absent-compute”语义。

二、回收（逐出）策略

由于guava是本地缓存，所以需要一个回收策略。guava提供了三种回收策略。

1、基于size回收：

通过CacheBuilder.maximumSize(long)设置缓存项的最大数目，当达到最大数目后，继续添加缓存项，Guava 默认会根据LRU策略回收缓存项来保证不超过最大数目； 另外，可以通过CacheBuilder.weigher(Weigher)设置不同缓存项的权重，Guava Cache根据权重来回收缓存项。

LoadingCache<Key, Graph> graphs = CacheBuilder.newBuilder()  
  .maximumWeight(100000)
  .weigher(new Weigher<Key, Graph>() {
    public int weigh(Key k, Graph g) {
      return g.vertices().size();
    }
  })
  .build(new CacheLoader<Key, Graph>() {
      public Graph load(Key key) { // no checked exception
        return createExpensiveGraph(key);
      }
  });

2、定时回收：

guava Cache提供两种定时回收的方法：

  • expireAfterAccess(long, TimeUnit)：缓存项（Key）在给定时间范围内没有读/写访问，那么下次访问时，会回收该Key，然后同步load()，这种方式类似于基于size的LRU回收。（）
  • expireAfterWrite(long, TimeUnit)：缓存项（Key）在给定时间范围内没有写访问，那么下次访问时，会回收该Key，然后同步load()。

注：Guava Cache不会专门维护一个线程来回收这些过期的缓存项，只有在读/写访问时，才去判断该缓存项是否过期，如果过期，则会回收。而且注意，回收后会同步调用load方法来加载新值到cache中。

3、基于引用回收：

通过使用弱引用的键、或弱引用的值、或软引用的值，Guava Cache可以把缓存设置为允许垃圾回收：

  • CacheBuilder.weakKeys()：使用弱引用存储键。当键没有其它（强或软）引用时，缓存项可以被垃圾回收。
  • CacheBuilder.weakValues()：使用弱引用存储值。当值没有其它（强或软）引用时，缓存项可以被垃圾回收
  • CacheBuilder.softValues()：使用软引用存储值。软引用只有在响应内存需要时，才按照全局最近最少使用的顺序回收。考虑到使用软引用的性能影响，我们通常建议使用更有性能预测性的缓存大小限定（见上文，基于容量回收）

以上是guava自动维护的，当然我们也可以手动将缓存值清理出cache，见下面。

三、删除缓存和删除监听器

1、删除缓存Key方法：

在任何时候，可以通过一下方法将Key从缓存中移除，而不用等guava的回收。

  • 清除单个Key：Cache.invalidate(key)
  • 批量清除：Cache.invalidateAll(keys)
  • 清除所有缓存项：Cache.invalidateAll()

2、删除监听器：

通过CacheBuilder.removalListener(RemovalListener)，你可以声明一个监听器，以便缓存项被移除时做一些额外操作。缓存项被移除时，RemovalListener会获取移除通知RemovalNotification，其中包含移除原因RemovalCause、键和值。

RemovalListener<String, String> removalListener = new RemovalListener<String,String>() {  
    @Override
    public void onRemoval(RemovalNotification<String, String> notification) {
        String key = notification.getKey();
        //例如是数据库连接，这里可以close该连接
        String value = notification.getValue();
    }
};

CacheBuilder.newBuilder()  
    .expireAfterWrite(2, TimeUnit.MINUTES)
    .removalListener(removalListener)
    .build(loader);

四、刷新策略

1、什么时候进行清理？

使用CacheBuilder构建的缓存不会“自动”执行清理和逐出值，也不会在值过期后立即执行清理或逐出值，或类似的任何操作。取而代之的是，如果写操作很少，它会在写操作期间或偶尔的读操作期间执行少量维护。

原因如下：如果我们要连续执行Cache维护，则需要创建一个线程，并且该线程的操作将与用户操作争夺共享锁。此外，某些环境限制了线程的创建，这会使CacheBuilder在该环境中无法使用。

相反，我们会将选择权交给您。如果您的缓存是高吞吐量的，那么您不必担心执行缓存维护以清理过期的条目等。如果您的缓存确实很少写入，并且您不想清理来阻止缓存读取，则您可能希望创建自己的维护线程，该线程定期调用Cache.cleanUp（）。

最后一句话怎么理解：如果流量很大，每时每刻都在访问cache，那么guava会自动根据回收策略进行清理数据。如果量很小，由于guava的惰性原理，不会及时回收，用户可以自己定时清理。

2、刷新缓存策略：

1）刷新和回收区别：

刷新策略和上面说的回收策略不太一样：刷新表示为key加载新值，这个过程可以是异步的（需要重写CacheLoader的reload方法，否则仍然是同步的调用load），而回收Key的时候，会调用load方法加载值，这个过程是同步的。

二者的相同点是：都是在访问缓存项（Key）的时候才会触发。

2）刷新方法：

可以调用LoadingCache.refresh(K) 来刷新某个Key。（注：只有LoadingCache类才有refresh方法）

public static ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 50, 300, TimeUnit.SECONDS, 
  new ArrayBlockingQueue<Runnable>(50),  
  new ThreadFactory(){ public Thread newThread(Runnable r) {
    return new Thread(r, "pool_" + r.hashCode());
  }}, new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());


public static LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder
  .newBuilder().maximumSize(100)
  .expireAfterWrite(100, TimeUnit.SECONDS) // 根据写入时间过期
  .build(new CacheLoader<String, String>() {
    @Override
    public String load(String key) {
      return getSchema(key);
    }
    
    public ListenableFuture<String> reload(String key, String oldValue) throws Exception {
      ListenableFutureTask<String> task =  ListenableFutureTask.create(new Callable<String>() {
        @Override
        public String call() throws Exception {
          Thread.sleep(1000);
          System.out.println("async....");
          return getSchema(key);
        }
      });
      threadPool.submit(task);
      return task;
    }
  });

//调用
cache.refresh(key1);//void
System.out.println("after refresh");

输出：

after refresh

async...

证明refresh方法是一个异步的。如果我们没有重写reload方法，那么看reload源码，就是默认的同步调用load，如：

guava cache详细介绍_加载

3、刷新+回收策略：

我们对比一下几种策略：

1）定时过期回收：

前面我们知道可以配置expireAfterWrite或expireAfterAccess来设置定期回收，那我们现在来看下这种策略在高并发情况下是否存在“缓存击穿”问题？当高并发条件下同时进行get操作，而此时缓存值已过期时，会导致大量线程都调用生成缓存值的方法，比如从数据库读取。这时候就容易造成大量请求同时查询数据库中该条记录，也就是“缓存击穿”。

Guava cache则对此种情况有一定控制。当大量线程用相同的key获取缓存值时，只会有一个线程进入load方法，而其他线程则等待，直到缓存值被生成。这样也就避免了缓存击穿的危险。

2）定时刷新：

guava虽然不会有缓存击穿的情况，但是每当某个缓存值过期时，老是会导致大量的请求线程被阻塞。而Guava则提供了另一种缓存策略，缓存值定时刷新：更新线程调用load方法更新该缓存，其他请求线程返回该缓存的旧值。这样对于某个key的缓存来说，只会有一个线程被阻塞，用来生成缓存值，而其他的线程都返回旧的缓存值，不会被阻塞。

这里就需要用到Guava cache的refreshAfterWrite方法。例如：

LoadingCache<String, Object> caches = CacheBuilder.newBuilder()
                .maximumSize(100)
                .refreshAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
                .build(new CacheLoader<String, Object>() {
                    @Override
                    public Object load(String key) throws Exception {
                        return generateValueByKey(key);
                    }
                });
try {
    System.out.println(caches.get("key-zorro"));
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

 注：前面两种策略中的定时，不是真正意义上的定时。Guava cache的刷新和回收都是需要依靠用户请求触发的。

3）异步刷新策略：

上面解决了同一个key的缓存过期时会让多个线程阻塞的问题，只会让用来执行刷新缓存操作的一个用户线程会被阻塞。由此可以想到另一个问题，当缓存的key很多时，高并发条件下大量线程同时获取不同key对应的缓存，此时依然会造成大量线程阻塞，并且给数据库带来很大压力。这个问题的解决办法就是将刷新缓存值的任务交给后台线程，所有的用户请求线程均返回旧的缓存值，这样就不会有用户线程被阻塞了。

ListeningExecutorService backgroundRefreshPools = 
                MoreExecutors.listeningDecorator(Executors.newFixedThreadPool(20));
        LoadingCache<String, Object> caches = CacheBuilder.newBuilder()
                .maximumSize(100)
                .refreshAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
                .build(new CacheLoader<String, Object>() {
                    @Override
                    public Object load(String key) throws Exception {
                        return generateValueByKey(key);
                    }
                    
                    @Override
                    public ListenableFuture<Object> reload(String key,
                            Object oldValue) throws Exception {
                        return backgroundRefreshPools.submit(new Callable<Object>() {

                            @Override
                            public Object call() throws Exception {
                                return generateValueByKey(key);
                            }
                        });
                    }
                });
try {
    System.out.println(caches.get("key-zorro"));
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

重写了CacheLoader的reload方法，在该方法中建立缓存刷新的任务并提交到线程池。

注意：因为刷新动作和回收一样，都是在检索的时候才会触发，所以当你的缓存配置了CacheBuilder.refreshAfterWrite(long, TimeUnit)时，如果部分缓存项很久没有被访问，那么再次被访问时，可能会获得过期很久的数据，这显然是不行的。而单独配置expireAfterWrite(long, TimeUnit)也是有问题的，如果热点数据突然过期，因为同步load()必然会影响读效率。

​所以，通常我们都是CacheBuilder.refreshAfterWrite(long, TimeUnit)和expireAfterWrite(long, TimeUnit) 同时配置，并且刷新的时间间隔要比过期的时间间隔短！这样当较长时间没有被访问的缓存项突然被访问时，会触发过期回收而不是刷新，后面会分析这一块的源码，而热点数据只会触发刷新操作不会触发回收操作。
 

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