阿里二面：怎么实现两级缓存？

发表于 2年以前 | 总阅读数：395 次

在上一篇文章[Redis+Caffeine两级缓存，让访问速度纵享丝滑] 中，我们介绍了3种整合Caffeine和Redis作为两级缓存使用的方法，虽然说能够实现功能，但实现手法还是太粗糙了，并且遗留了一些问题没有处理。本文将在上一篇的基础上，围绕两个方面进行进一步的改造：

JSR107定义了缓存使用规范，spring中提供了基于这个规范的接口，所以我们可以直接使用spring中的接口进行Caffeine和Redis两级缓存的整合改造
在分布式环境下，如果一台主机的本地缓存进行修改，需要通知其他主机修改本地缓存，解决分布式环境下本地缓存一致性问题

好了，在明确了需要的改进问题后，下面我们开始正式修改。

改造

在上篇文章的v3版本中，我们使用自定义注解的方式实现了两级缓存通过一个注解管理的功能。本文我们换一种方式，直接通过扩展spring提供的接口来实现这个功能，在进行整合之前，我们需要简单了解一下JSR107缓存规范。

JSR107 规范

在JSR107缓存规范中定义了5个核心接口，分别是CachingProvider,CacheManager,Cache, Entry和Expiry，参考下面这张图，可以看到除了Entry和Expiry以外，从上到下都是一对多的包含关系。

从上面这张图我们可以看出，一个应用可以创建并管理多个CachingProvider，同样一个CachingProvider也可以管理多个CacheManager，缓存管理器CacheManager中则维护了多个Cache。

Cache是一个类似Map的数据结构，Entry就是其中存储的每一个key-value数据对，并且每个Entry都有一个过期时间Expiry。而我们在使用spring集成第三方的缓存时，只需要实现Cache和CacheManager这两个接口就可以了，下面分别具体来看一下。

Cache

spring中的Cache接口规范了缓存组件的定义，包含了缓存的各种操作，实现具体缓存操作的管理。例如我们熟悉的RedisCache、EhCacheCache等，都实现了这个接口。

在Cache接口中，定义了get、put、evict、clear等方法，分别对应缓存的存入、取出、删除、清空操作。不过我们这里不直接使用Cache接口，上面这张图中的AbstractValueAdaptingCache是一个抽象类，它已经实现了Cache接口，是spring在Cache接口的基础上帮助我们进行了一层封装，所以我们直接继承这个类就可以。

继承AbstractValueAdaptingCache抽象类后，除了创建Cache的构造方法外，还需要实现下面的几个方法：

// 在缓存中实际执行查找的操作，父类的get()方法会调用这个方法
protected abstract Object lookup(Object key);

// 通过key获取缓存值，如果没有找到，会调用valueLoader的call()方法
public <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader);

// 将数据放入缓存中
public void put(Object key, Object value);

// 删除缓存
public void evict(Object key);

// 清空缓存中所有数据
public void clear();

// 获取缓存名称，一般在CacheManager创建时指定
String getName();

// 获取实际使用的缓存
Object getNativeCache();

因为要整合RedisTemplate和Caffeine的Cache，所以这些都需要在缓存的构造方法中传入，除此之外构造方法中还需要再传出缓存名称cacheName，以及在配置文件中实际配置的一些缓存参数。先看一下构造方法的实现：

public class DoubleCache extends AbstractValueAdaptingCache {
    private String cacheName;
    private RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate;
    private Cache<Object, Object> caffeineCache;
    private DoubleCacheConfig doubleCacheConfig;

    protected DoubleCache(boolean allowNullValues) {
        super(allowNullValues);
    }

    public DoubleCache(String cacheName,RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate,
                       Cache<Object, Object> caffeineCache,
                       DoubleCacheConfig doubleCacheConfig){
        super(doubleCacheConfig.getAllowNull());
        this.cacheName=cacheName;
        this.redisTemplate=redisTemplate;
        this.caffeineCache=caffeineCache;
        this.doubleCacheConfig=doubleCacheConfig;
    }
    //...
}

抽象父类的构造方法中只有一个boolean类型的参数allowNullValues，表示是否允许缓存对象为null。除此之外，AbstractValueAdaptingCache中还定义了两个包装方法来配合这个参数进行使用，分别是toStoreValue和fromStoreValue，特殊用途是用于在缓存null对象时进行包装、以及在获取时进行解析并返回。

我们之后会在CacheManager中调用后面这个自己实现的构造方法，来实例化Cache对象，参数中DoubleCacheConfig是使用@ConfigurationProperties读取的yml配置文件封装的数据对象，会在后面使用。

当一个方法添加了@Cacheable注解时，执行时会先调用父类AbstractValueAdaptingCache中的get(key)方法，它会再调用我们自己实现的lookup方法。在实际执行查找操作的lookup方法中，我们的逻辑仍然是先查找Caffeine、没有找到时再查找Redis：

@Override
protected Object lookup(Object key) {
    // 先从caffeine中查找
    Object obj = caffeineCache.getIfPresent(key);
    if (Objects.nonNull(obj)){
        log.info("get data from caffeine");
        return obj;
    }

    //再从redis中查找
    String redisKey=this.name+":"+ key;
    obj = redisTemplate.opsForValue().get(redisKey);
    if (Objects.nonNull(obj)){
        log.info("get data from redis");
        caffeineCache.put(key,obj);
    }
    return obj;
}

如果lookup方法的返回结果不为null，那么就会直接返回结果给调用方。如果返回为null时，就会执行原方法，执行完成后调用put方法，将数据放入缓存中。接下来我们实现put方法：

@Override
public void put(Object key, Object value) {
    if(!isAllowNullValues() && Objects.isNull(value)){
        log.error("the value NULL will not be cached");
        return;
    }

    //使用 toStoreValue(value) 包装，解决caffeine不能存null的问题
    caffeineCache.put(key,toStoreValue(value));

    // null对象只存在caffeine中一份就够了，不用存redis了
    if (Objects.isNull(value))
        return;

    String redisKey=this.cacheName +":"+ key;
    Optional<Long> expireOpt = Optional.ofNullable(doubleCacheConfig)
            .map(DoubleCacheConfig::getRedisExpire);
    if (expireOpt.isPresent()){
        redisTemplate.opsForValue().set(redisKey,toStoreValue(value),
                expireOpt.get(), TimeUnit.SECONDS);
    }else{
        redisTemplate.opsForValue().set(redisKey,toStoreValue(value));
    }
}

上面我们对于是否允许缓存空对象进行了判断，能够缓存空对象的好处之一就是可以避免缓存穿透。需要注意的是，Caffeine中是不能直接缓存null的，因此可以使用父类提供的toStoreValue()方法，将它包装成一个NullValue类型。在取出对象时，如果是NullValue，也不用我们自己再去调用fromStoreValue()将这个包装类型还原，父类的get方法中已经帮我们做好了。

另外，上面在put方法中缓存空对象时，只在Caffeine缓存中一份即可，可以不用在Redis中再存一份。

缓存的删除方法evict()和清空方法clear()的实现就比较简单了，直接删除一跳或全部数据即可：

@Override
public void evict(Object key) {
    redisTemplate.delete(this.cacheName +":"+ key);
    caffeineCache.invalidate(key);
}

@Override
public void clear() {
    Set<Object> keys = redisTemplate.keys(this.cacheName.concat(":*"));
    for (Object key : keys) {
        redisTemplate.delete(String.valueOf(key));
    }
    caffeineCache.invalidateAll();
}

获取缓存cacheName和实际缓存的方法实现：

@Override
public String getName() {
    return this.cacheName;
}
@Override
public Object getNativeCache() {
    return this;
}

最后，我们再来看一下带有两个参数的get方法，为什么把这个方法放到最后来说呢，因为如果我们只是使用注解来管理缓存的话，那么这个方法不会被调用到，简单看一下实现：

@Override
public <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader) {
    ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
    try{
        lock.lock();//加锁
        Object obj = lookup(key);
        if (Objects.nonNull(obj)){
            return (T)obj;
        }
        //没有找到
        obj = valueLoader.call();
        put(key,obj);//放入缓存
        return (T)obj;
    }catch (Exception e){
        log.error(e.getMessage());
    }finally {
        lock.unlock();
    }
    return null;
}

方法的实现比较容易理解，还是先调用lookup方法寻找是否已经缓存了对象，如果没有找到那么就调用Callable中的call方法进行获取，并在获取完成后存入到缓存中去。至于这个方法如何使用，具体代码我们放在后面使用这一块再看。

需要注意的是，这个方法的接口注释中强调了需要我们自己来保证方法同步，因此这里使用了ReentrantLock进行了加锁操作。到这里，Cache的实现就完成了，下面我们接着看另一个重要的接口CacheManager。

CacheManager

从名字就可以看出，CacheManager是一个缓存管理器，它可以被用来管理一组Cache。在上一篇文章的v2版本中，我们使用的CaffeineCacheManager就实现了这个接口，除此之外还有RedisCacheManager、EhCacheCacheManager等也都是通过这个接口实现。

下面我们要自定义一个类实现CacheManager接口，管理上面实现的DoubleCache作为spring中的缓存使用。接口中需要实现的方法只有下面两个：

//根据cacheName获取Cache实例，不存在时进行创建
Cache getCache(String name);

//返回管理的所有cacheName
Collection<String> getCacheNames();

在自定义的缓存管理器中，我们要使用ConcurrentHashMap维护一组不同的Cache，再定义一个构造方法，在参数中传入已经在spring中配置好的RedisTemplate，以及相关的缓存配置参数：

public class DoubleCacheManager implements CacheManager {
    Map<String, Cache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>();
    private RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate;
    private DoubleCacheConfig dcConfig;

    public DoubleCacheManager(RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate,
                              DoubleCacheConfig doubleCacheConfig) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.dcConfig = doubleCacheConfig;
    }
    //...
}

然后实现getCache方法，逻辑很简单，先根据name从Map中查找对应的Cache，如果找到则直接返回，这个参数name就是上一篇文章中提到的cacheName，CacheManager根据它实现不同Cache的隔离。

如果没有根据名称找到缓存的话，那么新建一个DoubleCache对象，并放入Map中。这里使用的ConcurrentHashMap的putIfAbsent()方法放入，避免重复创建Cache以及造成Cache内数据的丢失。具体代码如下：

@Override
public Cache getCache(String name) {
    Cache cache = cacheMap.get(name);
    if (Objects.nonNull(cache)) {
        return cache;
    }

    cache = new DoubleCache(name, redisTemplate, createCaffeineCache(), dcConfig);
    Cache oldCache = cacheMap.putIfAbsent(name, cache);
    return oldCache == null ? cache : oldCache;
}

在上面创建DoubleCache对象的过程中，需要先创建一个Caffeine的Cache对象作为参数传入，这一过程主要是根据实际项目的配置文件中的具体参数进行初始化，代码如下：

private com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache createCaffeineCache(){
    Caffeine<Object, Object> caffeineBuilder = Caffeine.newBuilder();
    Optional<DoubleCacheConfig> dcConfigOpt = Optional.ofNullable(this.dcConfig);
    dcConfigOpt.map(DoubleCacheConfig::getInit)
            .ifPresent(init->caffeineBuilder.initialCapacity(init));
    dcConfigOpt.map(DoubleCacheConfig::getMax)
            .ifPresent(max->caffeineBuilder.maximumSize(max));
    dcConfigOpt.map(DoubleCacheConfig::getExpireAfterWrite)
            .ifPresent(eaw->caffeineBuilder.expireAfterWrite(eaw,TimeUnit.SECONDS));
    dcConfigOpt.map(DoubleCacheConfig::getExpireAfterAccess)
            .ifPresent(eaa->caffeineBuilder.expireAfterAccess(eaa,TimeUnit.SECONDS));
    dcConfigOpt.map(DoubleCacheConfig::getRefreshAfterWrite)
            .ifPresent(raw->caffeineBuilder.refreshAfterWrite(raw,TimeUnit.SECONDS));
    return caffeineBuilder.build();
}

getCacheNames方法很简单，直接返回Map的keySet就可以了，代码如下：

@Override
public Collection<String> getCacheNames() {
    return cacheMap.keySet();
}

配置&使用

在application.yml文件中配置缓存的参数，代码中使用@ConfigurationProperties接收到DoubleCacheConfig类中：

doublecache:
  allowNull: true
  init: 128
  max: 1024
  expireAfterWrite: 30  #Caffeine过期时间
  redisExpire: 60      #Redis缓存过期时间

配置自定义的DoubleCacheManager作为默认的缓存管理器：

@Configuration
public class CacheConfig {
    @Autowired
    DoubleCacheConfig doubleCacheConfig;

    @Bean
    public DoubleCacheManager cacheManager(RedisTemplate<Object,Object> redisTemplate,
                                           DoubleCacheConfig doubleCacheConfig){
        return new DoubleCacheManager(redisTemplate,doubleCacheConfig);
    }
}

Service中的代码还是老样子，不需要在代码中手动操作缓存，只要直接在方法上使用@Cache相关注解即可：

@Service @Slf4j
@AllArgsConstructor
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
    private final OrderMapper orderMapper;

    @Cacheable(value = "order",key = "#id")
    public Order getOrderById(Long id) {
        Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
                .eq(Order::getId, id));
        return myOrder;
    }

    @CachePut(cacheNames = "order",key = "#order.id")
    public Order updateOrder(Order order) {
        orderMapper.updateById(order);
        return order;
    }

    @CacheEvict(cacheNames = "order",key = "#id")
    public void deleteOrder(Long id) {
        orderMapper.deleteById(id);
    }

    //没有注解,使用get(key,callable)方法
    public Order getOrderById2(Long id) {
        DoubleCacheManager cacheManager = SpringContextUtil.getBean(DoubleCacheManager.class);
        Cache cache = cacheManager.getCache("order");
        Order order =(Order) cache.get(id, (Callable<Object>) () -> {
            log.info("get data from database");
            Order myOrder = orderMapper.selectOne(new LambdaQueryWrapper<Order>()
                    .eq(Order::getId, id));
            return myOrder;
        });
        return order;
    }    
}

注意最后这个没有添加任何注解的方法，只有以这种方式调用时才会执行我们在DoubleCache中自己实现的get(key,callable)方法。到这里，基于JSR107规范和spring接口的两级缓存改造就完成了，下面我们看一下遗漏的第二个问题。

分布式环境改造

前面我们说了，在分布式环境下，可能会存在各个主机上一级缓存不一致的问题。当一台主机修改了本地缓存后，其他主机是没有感知的，仍然保持了之前的缓存，那么这种情况下就可能取到脏数据。既然我们在项目中已经使用了Redis，那么就可以使用它的发布/订阅功能来使各个节点的缓存进行同步。

定义消息体

在使用Redis发送消息前，需要先定义一个消息对象。其中的数据包括消息要作用于的Cache名称、操作类型、数据以及发出消息的源主机标识：

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class CacheMassage implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -3574997636829868400L;

    private String cacheName;
    private CacheMsgType type;  //标识更新或删除操作
    private Object key;   
    private Object value;
    private String msgSource;   //源主机标识，用来避免重复操作
}

定义一个枚举来标识消息的类型，是要进行更新还是删除操作：

public enum CacheMsgType {
    UPDATE,
    DELETE;
}

消息体中的msgSource是添加的一个消息源主机的标识，添加这个是为了避免收到当前主机发送的消息后，再进行重复操作，也就是说收到本机发出的消息直接丢掉什么都不做就可以了。源主机标识这里使用的是主机ip加项目端口的方式，获取方法如下：

public static String getMsgSource() throws UnknownHostException {
    String host = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
    Environment env = SpringContextUtil.getBean(Environment.class);
    String port = env.getProperty("server.port");
    return host+":"+port;
}

这样消息体的定义就完成了，之后只要调用redisTemplate的convertAndSend方法就可以把这个对象发布到指定的主题上了。

Redis消息配置

要使用Redis的消息监听功能，需要配置两项内容：

MessageListenerAdapter：消息监听适配器，可以在其中指定自定义的监听代理类，并且可以自定义使用哪个方法处理监听逻辑
RedisMessageListenerContainer：一个可以为消息监听器提供异步行为的容器，并且提供消息转换和分派等底层功能

@Configuration
public class MessageConfig {
    public static final String TOPIC="cache.msg";

    @Bean
    RedisMessageListenerContainer container(MessageListenerAdapter listenerAdapter,
                                            RedisConnectionFactory redisConnectionFactory){
        RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
        container.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
        container.addMessageListener(listenerAdapter, new PatternTopic(TOPIC));
        return container;
    }

    @Bean
    MessageListenerAdapter adapter(RedisMessageReceiver receiver){
        return new MessageListenerAdapter(receiver,"receive");
    }   
}

在上面的监听适配器MessageListenerAdapter中，我们传入了一个自定义的RedisMessageReceiver接收并处理消息，并指定使用它的receive方法来处理监听到的消息，下面我们就来看看它如何接收消息并消费。

消息消费逻辑

定义一个类RedisMessageReceiver来接收并消费消息，需要在它的方法中实现以下功能：

反序列化接收到的消息，转换为前面定义的CacheMassage类型对象
根据消息的主机标识判断这条消息是不是本机发出的，如果是那么直接丢弃，只有接收到其他主机发出的消息才进行处理
使用cacheName得到具体使用的那一个DoubleCache实例
根据消息的类型判断要执行的是更新还是删除操作，调用对应的方法

@Slf4j @Component
@AllArgsConstructor
public class RedisMessageReceiver {
    private final RedisTemplate redisTemplate;
    private final DoubleCacheManager manager;

    //接收通知，进行处理
    public void receive(String message) throws UnknownHostException {
        CacheMassage msg = (CacheMassage) redisTemplate
                .getValueSerializer().deserialize(message.getBytes());
        log.info(msg.toString());

        //如果是本机发出的消息，那么不进行处理
        if (msg.getMsgSource().equals(MessageSourceUtil.getMsgSource())){
            log.info("收到本机发出的消息，不做处理");
            return;
        }

        DoubleCache cache = (DoubleCache) manager.getCache(msg.getCacheName());
        if (msg.getType()== CacheMsgType.UPDATE) {
            cache.updateL1Cache(msg.getKey(),msg.getValue());
            log.info("更新本地缓存");
        }

        if (msg.getType()== CacheMsgType.DELETE) {
            log.info("删除本地缓存");
            cache.evictL1Cache(msg.getKey());
        }
    }
}

在上面的代码中，调用了DoubleCache中更新一级缓存方法updateL1Cache、删除一级缓存方法evictL1Cache，我们会后面在DoubleCache中进行添加。

修改DoubleCache

在DoubleCache中先添加上面提到的两个方法，由CacheManager获取到具体缓存后调用，进行一级缓存的更新或删除操作：

// 更新一级缓存
public void updateL1Cache(Object key,Object value){
    caffeineCache.put(key,value);
}

// 删除一级缓存
public void evictL1Cache(Object key){
    caffeineCache.invalidate(key);
}

好了，完事具备只欠东风，我们要在什么场合发送消息呢？答案是在DoubleCache中存入缓存的put方法和移除缓存的evict方法中。首先修改put方法，方法中前面的逻辑不变，在最后添加发送消息通知其他节点更新一级缓存的逻辑：

public void put(Object key, Object value) {
 // 省略前面的不变代码...

    //发送信息通知其他节点更新一级缓存 
 CacheMassage cacheMassage
   = new CacheMassage(this.cacheName, CacheMsgType.UPDATE,
   key,value, MessageSourceUtil.getMsgSource());
 redisTemplate.convertAndSend(MessageConfig.TOPIC,cacheMassage);
}

然后修改evict方法，同样保持前面的逻辑不变，在最后添加发送消息的代码：

public void evict(Object key) {
 // 省略前面的不变代码...

    //发送信息通知其他节点删除一级缓存   
    CacheMassage cacheMassage
            = new CacheMassage(this.cacheName, CacheMsgType.DELETE,
            key,null, MessageSourceUtil.getMsgSource());
    redisTemplate.convertAndSend(MessageConfig.TOPIC,cacheMassage);
}

适配分布式环境的改造工作到此结束，下面进行一下简单的测试工作。

测试

我们可以用idea的Allow parallel run功能同时启动两个一样的springboot项目，来模拟分布式环境下的两台主机，注意在启动参数中添加-Dserver.port参数来启动到不同端口。

首先测试更新操作，使用接口修改某一个主机的本地缓存，可以看到发出消息的主机在收到消息后，直接丢弃不做任何处理：

查看另一台主机的日志，收到消息并更新了本地缓存：

再看一下缓存的删除情况，同样本地删除后再收到消息不做处理：

看另一台主机收到消息后，会删除本地的一级缓存：

可以看到，分布式环境下本地缓存通过Redis消息的发布订阅机制保证了一级缓存的一致性。

另外，如果更加严谨一些的话，其实还应该处理一下缓存更新失败的情况，这里留个坑以后再填。简单说一下思路，我们应该在代码中捕获缓存更新失败的异常，然后删除二级缓存、本机以及其他主机的一级缓存，再等待下一次访问时直接拉取最新的数据进行缓存。同样，要想实现缓存失效同时作用于所有单机节点的本地缓存这一功能，也可以使用上面的发布订阅来实现。