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Java内存缓存通过Map定制简单缓存

jiezi

缓存

在程序中，缓存是一个高速数据存储层，其中存储了数据子集，且通常是短暂性存储，这样日后再次请求此数据时，速度要比访问数据的主存储位置快。通过缓存，可以高效地重用之前检索或计算的数据。

为什么要用缓存

场景

在 Java 应用中，对于访问频率高，更新少的数据，通常的方案是将这类数据加入缓存中，相对从数据库中读取，读缓存效率会有很大提升。

在集群环境下，常用的分布式缓存有 Redis、Memcached 等。但在某些业务场景上，可能不需要去搭建一套复杂的分布式缓存系统，在单机环境下，通常是会希望使用内部的缓存 (LocalCache)。

方案

  • 基于 JSR107 规范自研
  • 基于 ConcurrentHashMap 实现数据缓存

JSR107 规范目标

  • 为应用程序提供缓存 Java 对象的功能。
  • 定义了一套通用的缓存概念和工具。
  • 最小化开发人员使用缓存的学习成本。
  • 最大化应用程序在使用不同缓存实现之间的可移植性。
  • 支持进程内和分布式的缓存实现。

JSR107 规范核心概念

  • Java Caching 定义了 5 个核心接口，分别是 CachingProvider, CacheManager, Cache, Entry 和 Expiry。
  • CachingProvider 定义了创建、配置、获取、管理和控制多个 CacheManager。一个应用可以在运行期访问多个 CachingProvider。
  • CacheManager 定义了创建、配置、获取、管理和控制多个唯一命名的 Cache，这些 Cache 存在于 - CacheManager 的上下文中。一个 CacheManager 仅被一个 CachingProvider 所拥有。
  • Cache 是一个类似 Map 的数据结构并临时存储以 Key 为索引的值。一个 Cache 仅被一个 CacheManager 所拥有。
  • Entry 是一个存储在 Cache 中的 key-value 对。
  • 每一个存储在 Cache 中的条目有一个定义的有效期，即 Expiry Duration。

一旦超过这个时间，条目为过期的状态。一旦过期，条目将不可访问、更新和删除。缓存有效期可以通过 ExpiryPolicy 设置。

小例子

使用 Map 来实现一个简单的缓存功能

MapCacheDemo.java

package me.xueyao.cache.java;

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;


/**
 * @author simon
 * 用 map 实现一个简单的缓存功能
 */
public class MapCacheDemo {

    /**
     * 使用  ConcurrentHashMap，线程安全的要求。* 我使用 SoftReference <Object>  作为映射值，因为软引用可以保证在抛出 OutOfMemory 之前，如果缺少内存，将删除引用的对象。* 在构造函数中，我创建了一个守护程序线程，每 5 秒扫描一次并清理过期的对象。*/
    private static final int CLEAN_UP_PERIOD_IN_SEC = 5;

    private final ConcurrentHashMap<String, SoftReference<CacheObject>> cache = new ConcurrentHashMap<>();

    public MapCacheDemo() {Thread cleanerThread = new Thread(() -> {while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                try {Thread.sleep(CLEAN_UP_PERIOD_IN_SEC * 1000);
                    cache.entrySet().removeIf(entry ->
                            Optional.ofNullable(entry.getValue())
                                    .map(SoftReference::get)
                                    .map(CacheObject::isExpired)
                                    .orElse(false));
                } catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}
            }
        });
        cleanerThread.setDaemon(true);
        cleanerThread.start();}

    public void add(String key, Object value, long periodInMillis) {if (key == null) {return;}
        if (value == null) {cache.remove(key);
        } else {long expiryTime = System.currentTimeMillis() + periodInMillis;
            cache.put(key, new SoftReference<>(new CacheObject(value, expiryTime)));
        }
    }

    public void remove(String key) {cache.remove(key);
    }

    public Object get(String key) {return Optional.ofNullable(cache.get(key)).map(SoftReference::get).filter(cacheObject -> !cacheObject.isExpired()).map(CacheObject::getValue).orElse(null);
    }

    public void clear() {cache.clear();
    }

    public long size() {return cache.entrySet().stream().filter(entry -> Optional.ofNullable(entry.getValue()).map(SoftReference::get).map(cacheObject -> !cacheObject.isExpired()).orElse(false)).count();}

    /**
     * 缓存对象 value
     */
    private static class CacheObject {
        private Object value;
        private long expiryTime;

        private CacheObject(Object value, long expiryTime) {
            this.value = value;
            this.expiryTime = expiryTime;
        }

        boolean isExpired() {return System.currentTimeMillis() > expiryTime;
        }

        public Object getValue() {return value;}

        public void setValue(Object value) {this.value = value;}
    }
}

代码测试类 MapCacheDemoTests.java

package me.xueyao.cache.java;

public class MapCacheDemoTests {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MapCacheDemo mapCacheDemo = new MapCacheDemo();
        mapCacheDemo.add("uid_10001", "{1}", 5 * 1000);
        mapCacheDemo.add("uid_10002", "{2}", 5 * 1000);
        mapCacheDemo.add("uid_10003", "{3}", 5 * 1000);
        System.out.println("从缓存中取出值:" + mapCacheDemo.get("uid_10001"));
        Thread.sleep(5000L);
        System.out.println("5 秒钟过后");
        System.out.println("从缓存中取出值:" + mapCacheDemo.get("uid_10001"));
        // 5 秒后数据自动清除了~
    }
}
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