小白都能看懂的缓存入门

Posted 2021-04-14 Hollis

缓存是程序员必须了解的技术，无论是前端、后端还是客户端，大到复杂的系统架构，小到 CPU 或是芯片，都少不了缓存的影子。

下面只需 5 分钟，带你入门缓存技术。

什么是缓存？

缓存（Cache）本意是指可以进行高速数据交换的存储器，通俗点来说，就是通过将数据提前存放到内存，以提高访问速度。

在我们设计程序或算法时，有两个基本指标，即时间复杂度和空间复杂度。有时，我们的程序无法同时满足二者，就只能以时间换空间，或者以空间换时间。缓存是以空间换时间思想的典型应用，牺牲一部分内存空间，能够得到数百倍的读取性能提升。

缓存最常见的数据结构是键值对（Key/Value），类似字典，即一个 Key 对应一个 Value，访问缓存时通过 Key 获取 Value。

为什么需要缓存？

最简单的后端系统只需要一个应用服务（比如 Tomcat）和持久化存储数据的数据库（如 mysql），对于一个访问量很小的系统来说，这样的架构就足够了。

但随着系统的用户数和访问量的提升，数据库会收到越来越多的并发请求。由于数据库是从磁盘中读取数据，性能较低，随着请求数的增多，数据库受到的压力会越来越大。由于应用访问数据库的连接数有限，当数据库的处理能力跟不上请求数时，新的请求将排队等待，从而导致我们的后台程序也会阻塞。当并发请求数持续增大时，数据库甚至会挂掉！欧豁，完蛋。

因此，我们需要性能更高的读取数据方式，能够帮助数据库分担压力，缓存登场了。

可以在数据库之上增加一层缓存，当后台程序首次读取数据时，将得到的数据存入缓存中，那么后续的请求要读取相同数据时，只需从缓存中读取即可。由于缓存是将数据存入内存中，读取速度非常快，在成功提升性能的同时，替数据库分担了大量的压力。

因此想要提升系统的整体性能，缓存是不可或缺的。

缓存类别

可以将缓存分为两种类型。

本地缓存

直接运行在应用程序本地的缓存组件。

比如 JVM 中的 Map 数据结构，可以作为最简单的数据缓存：

class LocalCache {
private static Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
private LocalCache() {}
public static void put(String key, Object value) { cache.put(key, value); }
public static Object get(String key) {return cache.get(key); }
}

如果你的应用程序只需要运行在一台服务器上，并且多个应用程序之间不需要共享缓存的数据（比如用户 token），可以直接采用本地缓存，访问缓存时不需要通过网络传输，非常地方便迅速。

但是本地缓存会和你的应用程序强耦合，应用程序停止，本地缓存也就停止了。而且如果是在分布式场景下，多个机器都要使用缓存，此时如果在每个服务器上单独维护一份本地缓存，不仅无法共享数据，而且非常浪费内存（因为每台机器可能缓存了相同的数据）。

为解决缓存数据共享的问题，可以使用分布式缓存。

分布式缓存

分布式缓存是指独立的缓存服务，不和任何一个具体的应用耦合，可以独立运行并搭建缓存集群。类似数据库，所有的应用程序都可以连接同一个缓存服务以获取相同的缓存数据。

除了数据共享外，分布式缓存的优点还有很多。比如不需要每台机器单独维护缓存、可以集中管理缓存和整体管控分析、便于扩展和容错等。但是应用必须要通过网络访问分布式缓存服务，会产生额外的网络开销成本；并且每台机器都有可能会对整个分布式缓存服务产生影响，而一旦分布式缓存挂了，所有的应用都可能出现瘫痪（缓存雪崩）。

多级缓存

上述两种缓存没有绝对的优劣，要根据实际的业务场景进行选型。其实还可以将本地缓存与分布式缓存相结合，形成多级缓存服务，架构如下：

当首次查询时（不存在缓存），会同时将数据写入本地缓存和分布式缓存。之后的查询优先查询分布式缓存，而如果分布式缓存宕机，则从本地缓存获取数据。通过多级缓存机制，能够起到兜底的作用，即使缓存挂掉，也能支撑应用运行一段时间。

缓存淘汰策略

下面我们思考一个问题，如何去实现一个本地缓存呢？

刚刚提到的 Map 数据结构是一个思路，但是和我们自己的电脑存储文件、或者是和 JVM 存储对象一样，内存当然不是无限的。因此在实现缓存时，必须要设计一套缓存淘汰策略，按照某种机制回收缓存占用的内存，保证缓存数据不会无限地增长直到撑爆内存。

下面介绍几种常见的缓存淘汰策略，关键问题就是当缓存空间已满时，应该选择哪些缓存进行删除。

LRU 最近最少使用

LRU（Least Recently Used）是最经典的内存淘汰策略，其设计原则是 “如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小”。即根据数据的最近访问时间来进行淘汰。缺点是可能会由于一次冷数据的批量查询而误删除大量的热点数据。

近似 LRU 算法

类似 LRU 算法，只是每次随机选择一批数据进行 LRU 淘汰，而不是全量 LRU 运算，牺牲部分准确度，以提升算法执行效率。

Redis 3.0 之后对其进行了优化，维护了一个侯选池，将随机选择的数据放入侯选池中进行 LRU 运算。当侯选池放满后，新随机的数据会替换掉池中最近被访问的数据。

TTL 超时时间

TTL（Time To Live）是指用户为缓存设置的过期时间，当前时间到达过期时间时，将删除缓存；如果缓存空间已满，则优先淘汰最接近过期时间的数据。

LFU 最少使用

LFU（Least Frequently Used）策略会记录每个缓存数据的最近访问次数（频率），并优先清除使用次数较少的数据。这种算法存在的显著缺点是，最新写入的数据由于访问次数少，常常刚被缓存就删除了。

FIFO 先进先出

FIFO（First In First Out）先进先出策略会将数据按照写入缓存的顺序进行排队，当缓存空间不足时，最先进入缓存的数据会被优先删除。是一种比较死板的策略，不考虑数据热度，可能会淘汰大量的热点数据，但是实现起来相对容易。

Second-Chance

对 FIFO 算法的改进，给每个缓存数据添加一个引用标志，当数据被访问时，设置其标志位为 1。

当缓存空间不足时，会检测队列首部（最先写入缓存）数据的引用标志位，如果为 1，表示被访问过，则重置标志位为 0 并且重新加入队列尾部；如果为 0，表示未被访问过，直接淘汰。

相对 FIFO 算法来说，更加灵活，降低了淘汰热点数据的风险。

Random 随机

随机淘汰策略，没啥好说的，一般不建议使用。

还有一些其他的策略，比如优先淘汰占用空间最大的数据等，不再赘述。

缓存实现

要想自己设计一个优秀的缓存，还是有难度的，不止是用一个 Java 的数组或者集合类那么简单。幸运的是，有很多现成的类库、框架和中间件可供我们直接使用。下面介绍一些优秀的缓存实现。

Caffeine

Caffeine 是基于 Java8 的近似最佳的高性能本地缓存库。提供了灵活的构造器 API，能够轻松地创建缓存对象，并且组合各种特性。可谓是进程缓存之王。

Guava Cache

Guava 是 Google 开源的 Java 工具包，而 Guava Cache 是其中的本地缓存实现，提供了 time-based、size-based 等多种缓存淘汰策略，使用起来非常方便。

Ehcache

Ehcache 是 Java 实现的开源缓存框架，特性齐全，成熟轻量，并且支持通过 RMI 等方式实现可扩展的分布式缓存。

Memcached

开源的高性能分布式内存 K/V 缓存系统，支持主流语言的 API，适合存储小块的数据，可以利用多核 CPU。缺点是不支持持久化。

Redis

知名的 K/V 存储系统，适用于分布式缓存，支持多种数据结构、读写性能极高，并且可以搭建高可用集群、易扩展、支持持久化。还能通过 Lua 脚本实现原子性。

Spring Cache

Spring Cache 提供了抽象的缓存接口，帮助我们更好地使用缓存，底层可以选择不同的缓存实现，比如 Caffine 或者 Guava Cache。

没有银弹

缓存虽然具有很多优点，但也不是万能的。引入缓存后，还要考虑到缓存删除、缓存更新、缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩等问题。引入的缓存级数越多，数据不一致的风险就越大。因此，在架构设计时，要根据实际的业务需求来是否使用缓存、选用何种缓存。

毕竟，没有银弹。

有道无术，术可成；有术无道，止于术

好文章，我在看❤️