Java实现本地缓存的几种方式

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wx59bcc77095d22 2023-08-06 22:34:21 博主文章分类：Java ©著作权

文章标签 缓存自定义缓存性能优化 文章分类 Java 后端开发 yyds干货盘点

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一、概况

引入缓存，主要用于实现系统的高性能，高并发。将数据库查询出来的数据放入缓存服务中，因为缓存是存储在内存中的，内存的读写性能远超磁盘的读写性能，所以访问的速度非常快。但是电脑重启后，内存中的数据会全部清除，而磁盘中的数据虽然读写性能很差，但是数据不会丢失。目的主要为了重复利用数据，不用频繁的查询数据，提高系统的运行速度和效率。

二、基于ConcurrentHashMap实现本地缓存

1.首先创建一个缓存实体类

package com.example.vuespringboot.bean;
 
import lombok.Data;
 
/**
 * @author qx
 * @date 2023/8/5
 * @des 自定义缓存实体类
 */
@Data
public class MyCache {
 
    /**
     * 键
     */
    private String key;
 
    /**
     * 值
     */
    private Object value;
 
    /**
     * 过期时间
     */
    private Long expireTime;
 
}

2.接着我们编写一个缓存操作的工具类

package com.example.vuespringboot.util;
 
import com.example.vuespringboot.bean.MyCache;
 
import java.time.Duration;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
/**
 * @author qx
 * @date 2023/8/5
 * @des 自定义本地缓存工具类
 */
public class CacheUtil {
 
    /**
     * 缓存数据Map
     */
    private static final Map<String, MyCache> CACHE_MAP = new ConcurrentHashMap<>();
 
    /**
     * 定时器线程池，用于清除过期缓存
     */
    private static final ScheduledExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
 
    static {
        // 注册一个定时线程任务，服务启动1秒之后，每隔500毫秒执行一次
        // 定时清理过期缓存
        executorService.scheduleAtFixedRate(CacheUtil::clearCache, 1000, 500, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
 
    /**
     * 添加缓存
     *
     * @param key    缓存键
     * @param value  缓存值
     * @param expire 过期时间，单位秒
     */
    public static void put(String key, Object value, long expire) {
        MyCache myCache = new MyCache();
        myCache.setKey(key);
        myCache.setValue(value);
        if (expire > 0) {
            long expireTime = System.currentTimeMillis() + Duration.ofSeconds(expire).toMillis();
            myCache.setExpireTime(expireTime);
        }
        CACHE_MAP.put(key, myCache);
    }
 
    /**
     * 获取缓存
     *
     * @param key 缓存键
     * @return 缓存数据
     */
    public static Object get(String key) {
        if (CACHE_MAP.containsKey(key)) {
            return CACHE_MAP.get(key).getValue();
        }
        return null;
    }
 
    /**
     * 移除缓存
     *
     * @param key 缓存键
     */
    public static void remove(String key) {
        CACHE_MAP.remove(key);
    }
 
    /**
     * 清理过期的缓存数据
     */
    private static void clearCache() {
        if (CACHE_MAP.size() <= 0) {
            return;
        }
        // 判断是否过期 过期就从缓存Map删除这个元素
        CACHE_MAP.entrySet().removeIf(entry -> entry.getValue().getExpireTime() != null && entry.getValue().getExpireTime() > System.currentTimeMillis());
    }
}

3.测试

package com.example.vuespringboot;
 
import com.example.vuespringboot.util.CacheUtil;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
 
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
@SpringBootTest
class VueSpringBootApplicationTests {
 
    @Test
    void contextLoads() throws InterruptedException {
        // 写入缓存数据 2秒后过期
        CacheUtil.put("name", "qx", 2);
 
        Object value1 = CacheUtil.get("name");
        System.out.println("第一次查询结果：" + value1);
 
        // 停顿3秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
 
        Object value2 = CacheUtil.get("name");
        System.out.println("第二次查询结果：" + value2);
    }
 
}

启动测试，我们从控制台的返回看到输出结果和我们的预期一致!

第一次查询结果：qx
第二次查询结果：null

实现思路其实很简单，采用ConcurrentHashMap作为缓存数据存储服务，然后开启一个定时调度，每隔500毫秒检查一下过期的缓存数据，然后清除掉！

三、基于Guava Cache实现本地缓存

相比自己编写的缓存服务，Guava Cache 要强大的多，支持很多特性如下：

支持最大容量限制
支持两种过期删除策略（插入时间和读取时间）
支持简单的统计功能
基于 LRU 算法实现

1.添加依赖

<!--guava-->
<dependency>
	<groupId>com.google.guava</groupId>
	<artifactId>guava</artifactId>
	<version>31.1-jre</version>
</dependency>

2.测试

我们直接使用Guava中api创建缓存对象，并设置过期时间等。

@Test
    void testGuava() throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建一个缓存实例
        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
                // 初始容量
                .initialCapacity(5)
                // 最大缓存数，超出淘汰
                .maximumSize(10)
                // 过期时间 设置写入3秒后过期
                .expireAfterWrite(3, TimeUnit.SECONDS)
                .build();
 
        // 写入缓存数据
        cache.put("name", "qq");
 
        // 读取缓存数据
        String value1 = cache.get("name", () -> "key过期");
        System.out.println("第一次查询结果：" + value1);
 
        // 停顿4秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
 
 
        // 读取缓存数据
        String value2 = cache.get("name", () -> "key过期");
        System.out.println("第二次查询结果：" + value2);
    }

启动测试，我们从控制台的返回看到输出结果和我们的预期一致!

第一次查询结果：qq
第二次查询结果：key过期

四、基于 Caffeine 实现本地缓存

Caffeine 是基于 java8 实现的新一代缓存工具，缓存性能接近理论最优，可以看作是 Guava Cache 的增强版，功能上两者类似，不同的是 Caffeine 采用了一种结合 LRU、LFU 优点的算法：W-TinyLFU，在性能上有明显的优越性。

1.添加依赖

<!--caffeine-->
<dependency>
	<groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
	<artifactId>caffeine</artifactId>
	<version>2.9.3</version>
</dependency>

2.测试

我们直接使用Caffeine中api创建缓存对象，并设置过期时间等。

@Test
    void testCaffeine() throws InterruptedException {
        // 创建一个缓存实例
        Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
                // 初始容量
                .initialCapacity(5)
                // 最大缓存数，超出淘汰
                .maximumSize(10)
                // 设置缓存写入间隔多久过期
                .expireAfterWrite(3, TimeUnit.SECONDS)
                // 设置缓存最后访问后间隔多久淘汰，实际很少用到
                .build();
 
        // 写入缓存数据
        cache.put("userName", "张三");
 
        // 读取缓存数据
        String value1 = cache.get("userName", (key) -> {
            // 如果key不存在，会执行回调方法
            return "key已过期";
        });
        System.out.println("第一次查询结果：" + value1);
 
        // 停顿4秒
        Thread.sleep(4000);
 
        // 读取缓存数据
        String value2 = cache.get("userName", (key) -> {
            // 如果key不存在，会执行回调方法
            return "key已过期";
        });
        System.out.println("第二次查询结果：" + value2);
    }

运行单元测试，输出结果

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：key已过期

五、基于 Encache 实现本地缓存

1.添加依赖

<!--ehcache-->
<dependency>
	<groupId>org.ehcache</groupId>
	<artifactId>ehcache</artifactId>
	<version>3.9.7</version>
</dependency>

2.自定义Encache过期策略

package com.example.vuespringboot.util;
 
import org.ehcache.expiry.ExpiryPolicy;
 
import java.time.Duration;
import java.util.Map;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.function.Supplier;
 
/**
 * @author qx
 * @date 2023/8/5
 * @des 自定义过期策略实现
 */
public class CustomExpiryPolicy<K, V> implements ExpiryPolicy<K, V> {
    private final Map<K, Duration> keyExpireMap = new ConcurrentHashMap();
 
 
    public Duration setExpire(K key, Duration duration) {
        return keyExpireMap.put(key, duration);
    }
 
    public Duration getExpireByKey(K key) {
        return Optional.ofNullable(keyExpireMap.get(key))
                .orElse(null);
    }
 
    public Duration removeExpire(K key) {
        return keyExpireMap.remove(key);
    }
 
    @Override
    public Duration getExpiryForCreation(K key, V value) {
        return Optional.ofNullable(getExpireByKey(key))
                .orElse(Duration.ofNanos(Long.MAX_VALUE));
    }
 
    @Override
    public Duration getExpiryForAccess(K key, Supplier<? extends V> value) {
        return getExpireByKey(key);
    }
 
    @Override
    public Duration getExpiryForUpdate(K key, Supplier<? extends V> oldValue, V newValue) {
        return getExpireByKey(key);
    }
}

3.测试

package com.example.vuespringboot.util;
 
import org.ehcache.Cache;
import org.ehcache.CacheManager;
import org.ehcache.config.builders.CacheConfigurationBuilder;
import org.ehcache.config.builders.CacheManagerBuilder;
import org.ehcache.config.builders.ResourcePoolsBuilder;
 
import java.time.Duration;
 
/**
 * @author qx
 * @date 2023/8/5
 * @des 测试Encache
 */
public class EncacheTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String userCache = "userCache";
 
        // 自定义过期策略
        CustomExpiryPolicy<Object, Object> customExpiryPolicy = new CustomExpiryPolicy<>();
 
        // 声明一个容量为20的堆内缓存配置
        CacheConfigurationBuilder configurationBuilder = CacheConfigurationBuilder
                .newCacheConfigurationBuilder(String.class, String.class, ResourcePoolsBuilder.heap(20))
                .withExpiry(customExpiryPolicy);
 
        // 初始化一个缓存管理器
        CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder()
                // 创建cache实例
                .withCache(userCache, configurationBuilder)
                .build(true);
 
        // 获取cache实例
        Cache<String, String> cache = cacheManager.getCache(userCache, String.class, String.class);
        // 获取过期策略
        CustomExpiryPolicy expiryPolicy = (CustomExpiryPolicy) cache.getRuntimeConfiguration().getExpiryPolicy();
 
        // 写入缓存数据
        cache.put("userName", "张三");
        // 设置3秒过期
        expiryPolicy.setExpire("userName", Duration.ofSeconds(3));
 
        // 读取缓存数据
        String value1 = cache.get("userName");
        System.out.println("第一次查询结果：" + value1);
 
        // 停顿4秒
        Thread.sleep(4000);
 
        // 读取缓存数据
        String value2 = cache.get("userName");
        System.out.println("第二次查询结果：" + value2);
    }
}

运行测试类，输出结果:

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：null

六、基于Spring Cache实现缓存

启动类上加上@EnableCaching注解

package com.example.dockerdemo;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.data.jpa.repository.config.EnableJpaAuditing;
import org.springframework.scheduling.annotation.EnableScheduling;
import org.springframework.transaction.annotation.EnableTransactionManagement;

@SpringBootApplication
@EnableJpaAuditing
@EnableTransactionManagement
@EnableScheduling
@EnableCaching
public class DockerDemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DockerDemoApplication.class, args);
    }

}

业务层

package com.example.dockerdemo.service;

import com.example.dockerdemo.bean.User;
import com.example.dockerdemo.repository.UserRepository;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.hibernate.annotations.Cache;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;
import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;
import org.springframework.cache.annotation.CachePut;
import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
import org.springframework.stereotype.Service;

/**
 * @author qx
 * @date 2023/7/21
 * @des 业务层测试
 */
@Service
@Slf4j
@CacheConfig(cacheNames = "userService")
public class UserService {

    @Autowired
    private UserRepository userRepository;


    @Cacheable(key = "#id")
    public User getById(Long id) {
        return userRepository.findById(id).orElse(null);
    }

    @CachePut(key = "#user.id")
    public User updateUser(User user) {
        userRepository.save(user);
        return user;
    }

    @CacheEvict(key = "#id")
    public void deleteUser(Long id) {
        userRepository.deleteById(id);
    }
}

控制层

package com.example.dockerdemo.controller;

import com.example.dockerdemo.bean.User;
import com.example.dockerdemo.service.UserService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

/**
 * @author qx
 * @date 2023/8/4
 * @des
 */
@RestController
@RequestMapping("/user")
public class UserController {
    @Autowired
    private UserService userService;

    @GetMapping("/{id}")
    public User findById(@PathVariable("id") Long id) {
        return userService.getById(id);
    }

    @PostMapping
    public User updateUser(@RequestBody User user) {
        return userService.updateUser(user);
    }

    @DeleteMapping("/{id}")
    public void deleteUser(@PathVariable("id") Long id) {
        userService.deleteUser(id);
    }
}

测试:

第一次查询数据，打印了sql语句

Java实现本地缓存的几种方式_缓存

Hibernate: select user0_.id as id1_0_0_, user0_.create_time as create_t2_0_0_, user0_.update_time as update_t3_0_0_, user0_.age as age4_0_0_, user0_.name as name5_0_0_ from t_user user0_ where user0_.id=?

我们第二次访问接口，并没有打印sql语句，没有请求数据库而是使用缓存。

更新缓存

Java实现本地缓存的几种方式_缓存_02