动手实现一个localcache - 实现篇

原创

Golang梦工厂 2022-08-30 17:03:37 ©著作权

文章标签 python go java golang redis 文章分类 虚拟化云计算

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前言

哈喽，大家好，我是asong，经过了前面两篇的介绍，我们已经基本了解该如何设计一个本地缓存了，本文就是这个系列的终结篇，自己动手实现一个本地缓存，接下来且听我细细道来！！！
本文代码已经上传到github：https://github.com/asong2020/go-localcache
现在这一版本算是一个1.0，后续会继续进行优化和迭代。

第一步：抽象接口

第一步很重要，以面向接口编程为原则，我们先抽象出来要暴露给用户的方法，给用户提供简单易懂的方法，因此我抽象出来的结果如下：

// ICache abstract interface
type ICache interface {
 // Set value use default expire time. default does not expire.
 Set(key string, value []byte) error
 // Get value if find it. if value already expire will delete.
 Get(key string) ([]byte, error)
 // SetWithTime set value with expire time
 SetWithTime(key string, value []byte, expired time.Duration) error
 // Delete manual removes the key
 Delete(key string) error
 // Len computes number of entries in cache
 Len() int
 // Capacity returns amount of bytes store in the cache.
 Capacity() int
 // Close is used to signal a shutdown of the cache when you are done with it.
 // This allows the cleaning goroutines to exit and ensures references are not
 // kept to the cache preventing GC of the entire cache.
 Close() error
 // Stats returns cache's statistics
 Stats() Stats
 // GetKeyHit returns key hit
 GetKeyHit(key string) int64
}

Set(key string, value []byte)：使用该方法存储的数据使用默认的过期时间，如果清除过期的异步任务没有enable，那么就永不过期，否则默认过期时间为10min。
Get(key string) ([]byte, error)：根据key获取对象内容，如果数据过期了会在这一步删除。
SetWithTime(key string, value []byte, expired time.Duration)：存储对象是使用自定义过期时间
Delete(key string) error：根据key删除对应的缓存数据
Len() int：获取缓存的对象数量
Capacity() int：获取当前缓存的容量
Close() error：关闭缓存
Stats() Stats：缓存监控数据
GetKeyHit(key string) int64：获取key的命中率数据

第二步：定义缓存对象

第一步我们抽象好了接口，下面就要定义一个缓存对象实例实现接口，先看定义结构：

type cache struct {
 // hashFunc represents used hash func
 hashFunc HashFunc
 // bucketCount represents the number of segments within a cache instance. value must be a power of two.
 bucketCount uint64
 // bucketMask is bitwise AND applied to the hashVal to find the segment id.
 bucketMask uint64
 // segment is shard
 segments []*segment
 // segment lock
 locks    []sync.RWMutex
 // close cache
 close chan struct{}
}

hashFunc：分片要用的哈希函数，用户可以自行定义，实现HashFunc接口即可，默认使用fnv算法。
bucketCount：分片的数量，一定要是偶数，默认分片数为256。
bucketMask：因为分片数是偶数，所以可以分片时可以使用位运算代替取余提升性能效率，hashValue % bucketCount == hashValue & bucketCount - 1。
segments：分片对象，每个分片的对象结构我们在后面介绍。
locks：每个分片的读写锁
close：关闭缓存对象时通知其他goroutine暂停

接下来我们来写cache对象的构造函数：

// NewCache constructor cache instance
func NewCache(opts ...Opt) (ICache, error) {
 options := &options{
  hashFunc: NewDefaultHashFunc(),
  bucketCount: defaultBucketCount,
  maxBytes: defaultMaxBytes,
  cleanTime: defaultCleanTIme,
  statsEnabled: defaultStatsEnabled,
  cleanupEnabled: defaultCleanupEnabled,
 }
 for _, each := range opts{
  each(options)
 }

 if !isPowerOfTwo(options.bucketCount){
  return nil, errShardCount
 }

  if options.maxBytes <= 0 {
  return nil, ErrBytes
 }
  
 segments := make([]*segment, options.bucketCount)
 locks := make([]sync.RWMutex, options.bucketCount)

 maxSegmentBytes := (options.maxBytes + options.bucketCount - 1) / options.bucketCount
 for index := range segments{
  segments[index] = newSegment(maxSegmentBytes, options.statsEnabled)
 }

 c := &cache{
  hashFunc: options.hashFunc,
  bucketCount: options.bucketCount,
  bucketMask: options.bucketCount - 1,
  segments: segments,
  locks: locks,
  close: make(chan struct{}),
 }
    if options.cleanupEnabled {
  go c.cleanup(options.cleanTime)
 }
 
 return c, nil
}

这里为了更好的扩展，我们使用Options编程模式，我们的构造函数主要做三件事：

前置参数检查，对于外部传入的参数，我们还是要做基本的校验
分片对象初始化
构造缓存对象

这里构造缓存对象时我们要先计算每个分片的容量，默认整个本地缓存256M的数据，然后在平均分到每一片区内，用户可以自行选择要缓存的数据大小。

第三步：定义分片结构

每个分片结构如下：

type segment struct {
 hashmap map[uint64]uint32
 entries buffer.IBuffer
 clock   clock
 evictList  *list.List
 stats IStats
}

hashmp：存储key所对应的存储索引
entries：存储key/value的底层结构，我们在第四步的时候介绍，也是代码的核心部分。
clock：定义时间方法
evicList：这里我们使用一个队列来记录old索引，当容量不足时进行删除（临时解决方案，当前存储结构不适合使用LRU淘汰算法）
stats：缓存的监控数据。

接下来我们再来看一下每个分片的构造函数：

func newSegment(bytes uint64, statsEnabled bool) *segment {
 if bytes == 0 {
  panic(fmt.Errorf("bytes cannot be zero"))
 }
 if bytes >= maxSegmentSize{
  panic(fmt.Errorf("too big bytes=%d; should be smaller than %d", bytes, maxSegmentSize))
 }
 capacity := (bytes + segmentSize - 1) / segmentSize
 entries := buffer.NewBuffer(int(capacity))
 entries.Reset()
 return &segment{
  entries: entries,
  hashmap: make(map[uint64]uint32),
  clock:   &systemClock{},
  evictList: list.New(),
  stats: newStats(statsEnabled),
 }
}

这里主要注意一点：

我们要根据每个片区的缓存数据大小来计算出容量，与上文的缓存对象初始化步骤对应上了。

第四步：定义缓存结构

缓存对象现在也构造好了，接下来就是本地缓存的核心：定义缓存结构。

bigcache、fastcache、freecache都使用字节数组代替map存储缓存数据，从而减少GC压力，所以我们也可以借鉴其思想继续保持使用字节数组，这里我们使用二维字节切片存储缓存数据key/value；画个图表示一下：

动手实现一个localcache - 实现篇_golang

使用二维数组存储数据的相比于bigcache的优势在于可以直接根据索引删除对应的数据，虽然也会有虫洞的问题，但是我们可以记录下来虫洞的索引，不断填充。

每个缓存的封装结构如下：

动手实现一个localcache - 实现篇_java_02

基本思想已经明确，接下来看一下我们对存储层的封装：

type Buffer struct {
 array [][]byte
 capacity int
 index int
 // maxCount = capacity - 1
 count int
 // availableSpace If any objects are removed after the buffer is full, the idle index is logged.
 // Avoid array "wormhole"
 availableSpace map[int]struct{}
 // placeholder record the index that buffer has stored.
 placeholder map[int]struct{}
}

array [][]byte：存储缓存对象的二维切片
capacity：缓存结构的最大容量
index：索引，记录缓存所在的位置的索引
count：记录缓存数量
availableSpace：记录"虫洞"，当缓存对象被删除时记录下空闲位置的索引，方便后面容量满了后使用"虫洞"
placeholder：记录缓存对象的索引，迭代清除过期缓存可以用上。

向buffer写入数据的流程（不贴代码了）：

动手实现一个localcache - 实现篇_redis_03

第五步：完善向缓存写入数据方法

上面我们定义好了所有需要的结构，接下来就是填充我们的写入缓存方法就可以了：

func (c *cache) Set(key string, value []byte) error  {
 hashKey := c.hashFunc.Sum64(key)
 bucketIndex := hashKey&c.bucketMask
 c.locks[bucketIndex].Lock()
 defer c.locks[bucketIndex].Unlock()
 err := c.segments[bucketIndex].set(key, hashKey, value, defaultExpireTime)
 return err
}

func (s *segment) set(key string, hashKey uint64, value []byte, expireTime time.Duration) error {
 if expireTime <= 0{
  return ErrExpireTimeInvalid
 }
 expireAt := uint64(s.clock.Epoch(expireTime))

 if previousIndex, ok := s.hashmap[hashKey]; ok {
  if err := s.entries.Remove(int(previousIndex)); err != nil{
   return err
  }
  delete(s.hashmap, hashKey)
 }

 entry := wrapEntry(expireAt, key, hashKey, value)
 for {
  index, err := s.entries.Push(entry)
  if err == nil {
   s.hashmap[hashKey] = uint32(index)
   s.evictList.PushFront(index)
   return nil
  }
  ele := s.evictList.Back()
  if err := s.entries.Remove(ele.Value.(int)); err != nil{
   return err
  }
  s.evictList.Remove(ele)
 }
}

流程分析如下：

根据key计算哈希值，然后根据分片数获取对应分片位置
如果当前缓存中存在相同的key，则先删除，在重新插入，会刷新过期时间
封装存储结构，根据过期时间戳、key长度、哈希大小、缓存对象进行封装
将数据存入缓存，如果缓存失败，移除最老的数据后再次重试

第六步：完善从缓存读取数据方法

第一步根据key计算哈希值，再根据分片数获取对应的分片位置：

func (c *cache) Get(key string) ([]byte, error)  {
 hashKey := c.hashFunc.Sum64(key)
 bucketIndex := hashKey&c.bucketMask
 c.locks[bucketIndex].RLock()
 defer c.locks[hashKey&c.bucketMask].RUnlock()
 entry, err := c.segments[bucketIndex].get(key, hashKey)
 if err != nil{
  return nil, err
 }
 return entry,nil
}

第二步执行分片方法获取缓存数据：

先根据哈希值判断key是否存在于缓存中，不存返回key没有找到
从缓存中读取数据得到缓存中的key判断是否发生哈希冲突
判断缓存对象是否过期，过期删除缓存数据（可以根据业务优化需要是否返回当前过期数据）
在每个记录缓存监控数据

func (s *segment) getWarpEntry(key string, hashKey uint64) ([]byte,error) {
 index, ok := s.hashmap[hashKey]
 if !ok {
  s.stats.miss()
  return nil, ErrEntryNotFound
 }
 entry, err := s.entries.Get(int(index))
 if err != nil{
  s.stats.miss()
  return nil, err
 }
 if entry == nil{
  s.stats.miss()
  return nil, ErrEntryNotFound
 }

 if entryKey := readKeyFromEntry(entry); key != entryKey {
  s.stats.collision()
  return nil, ErrEntryNotFound
 }
 return entry, nil
}

func (s *segment) get(key string, hashKey uint64) ([]byte, error) {
 currentTimestamp := s.clock.TimeStamp()
 entry, err := s.getWarpEntry(key, hashKey)
 if err != nil{
  return nil, err
 }
 res := readEntry(entry)

 expireAt := int64(readExpireAtFromEntry(entry))
 if currentTimestamp - expireAt >= 0{
  _ = s.entries.Remove(int(s.hashmap[hashKey]))
  delete(s.hashmap, hashKey)
  return nil, ErrEntryNotFound
 }
 s.stats.hit(key)

 return res, nil
}

第七步：来个测试用例体验一下

先来个简单的测试用例测试一下：

func (h *cacheTestSuite) TestSetAndGet() {
 cache, err := NewCache()
 assert.Equal(h.T(), nil, err)
 key := "asong"
 value := []byte("公众号：Golang梦工厂")

 err = cache.Set(key, value)
 assert.Equal(h.T(), nil, err)

 res, err := cache.Get(key)
 assert.Equal(h.T(), nil, err)
 assert.Equal(h.T(), value, res)
 h.T().Logf("get value is %s", string(res))
}

运行结果：

=== RUN   TestCacheTestSuite
=== RUN   TestCacheTestSuite/TestSetAndGet
    cache_test.go:33: get value is 公众号：Golang梦工厂
--- PASS: TestCacheTestSuite (0.00s)
    --- PASS: TestCacheTestSuite/TestSetAndGet (0.00s)
PASS