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Caffeine缓存的简单介绍

开发技术 开发技术 4小时前 1次浏览

Caffeine缓存的简单介绍

1、简介

在本文中,我们将了解Caffeine,一个用于Java的高性能缓存库。

缓存和Map之间的一个根本区别是缓存会清理存储的项目。

一个清理策略会决定在某个给定时间哪些对象应该被删除,这个策略直接影响缓存的命中率——缓存库的一个关键特性。

Caffeine使用Window TinyLfu清理策略,它提供了接近最佳的命中率。

2、依赖

我们需要将Caffeine依赖添加到我们的pom.xml中:

<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
    <version>2.5.5</version>
</dependency>

您可以在Maven Central上找到最新版本的Caffeine。

3、写入缓存

让我们关注Caffeine的三种缓存写入策略:手动、同步加载和异步加载。

首先,让我们编写一个类,作为要存储在缓存中的值的类型:

class DataObject {
    private final String data;

    private static int objectCounter = 0;
    // standard constructors/getters
    
    public static DataObject get(String data) {
        objectCounter++;
        return new DataObject(data);
    }
}

3.1、手动写入

在此策略中,我们手动将值写入缓存并稍后读取它们。

我们先初始化缓存:

Cache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
  .maximumSize(100)
  .build();

现在,我们可以使用getIfPresent方法从缓存中获取一些值。如果缓存中不存在该值,则此方法将返回null

String key = "A";
DataObject dataObject = cache.getIfPresent(key);

assertNull(dataObject);

我们可以使用put方法手动写入缓存:

cache.put(key, dataObject);
dataObject = cache.getIfPresent(key);

assertNotNull(dataObject);

我们还可以使用get方法获取值,该方法接受一个函数和一个键作为参数。如果缓存中不存在该键,则此函数将用于提供兜底值,该值将在执行后写入缓存:

dataObject = cache
  .get(key, k -> DataObject.get("Data for A"));

assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for A", dataObject.getData());

这个GET方法执行是原子性的。这意味着即使多个线程同时请求该值,执行只会进行一次。这就是为什么使用getgetIfPresent更好。

有时我们需要手动使一些缓存的值失效:

cache.invalidate(key);
dataObject = cache.getIfPresent(key);

assertNull(dataObject);

3.2、同步加载

这种加载缓存的方法需要一个Function,用于初始化写入值,类似于手动写入策略的get方法,让我们看看如何使用它。

首先,我们需要初始化我们的缓存:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .maximumSize(100)
  .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

现在我们可以使用get方法读取值:

DataObject dataObject = cache.get(key);

assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());

我们还可以使用getAll方法获取一组值:

Map<String, DataObject> dataObjectMap 
  = cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"));

assertEquals(3, dataObjectMap.size());

值从传递给build方法的底层后端初始化Function中读取到,这样就可以使用缓存作为访问值的主要入口了。

3.3、异步加载

此策略的工作原理与前一个相同,但是会异步执行操作并返回一个CompletableFuture来保存实际的值:

AsyncLoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .maximumSize(100)
  .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
  .buildAsync(k -> DataObject.get("Data for " + k));

我们可以以相同的方式使用getgetAll方法,考虑到它们的返回是CompletableFuture

String key = "A";

cache.get(key).thenAccept(dataObject -> {
    assertNotNull(dataObject);
    assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());
});

cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"))
  .thenAccept(dataObjectMap -> assertEquals(3, dataObjectMap.size()));

CompletableFuture具有很多有用的API,您可以在本文中阅读更多相关信息。

4、缓存值的清理

Caffeine有三种缓存值的清理策略:基于大小、基于时间和基于引用。

4.1、基于大小的清理

这种类型的清理设计为在超出缓存配置的大小限制时发生清理。有两种获取大小的方法——计算缓存中的对象数,或者获取它们的权重。

让我们看看如何计算缓存中的对象数。缓存初始化时,其大小为零:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .maximumSize(1)
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

assertEquals(0, cache.estimatedSize());

当我们添加一个值时,大小明显增加:

cache.get("A");

assertEquals(1, cache.estimatedSize());

我们可以将第二个值添加到缓存中,这会导致删除第一个值:

cache.get("B");
cache.cleanUp();

assertEquals(1, cache.estimatedSize());

值得一提的是,我们在获取缓存大小之前调用了cleanUp方法。这是因为缓存清理是异步执行的,该方法有助于等待清理完成。

我们还可以传入一个weigher的Function来定义缓存大小的获取:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .maximumWeight(10)
  .weigher((k,v) -> 5)
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

assertEquals(0, cache.estimatedSize());

cache.get("A");
assertEquals(1, cache.estimatedSize());

cache.get("B");
assertEquals(2, cache.estimatedSize());

当权重超过 10 时,这些值将从缓存中删除:

cache.get("C");
cache.cleanUp();

assertEquals(2, cache.estimatedSize());

4.2、基于时间的清理

这种清理策略基于条目的过期时间,分为三种:

  • 访问后过期——自上次读取或写入以来,条目在经过某段时间后过期
  • 写入后过期——自上次写入以来,条目在经过某段时间后过期
  • 自定义策略——由Expiry的实现来为每个条目单独计算到期时间

让我们使用expireAfterAccess方法配置访问后过期策略:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES)
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

要配置写入后过期策略,我们使用expireAfterWrite方法:

cache = Caffeine.newBuilder()
  .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
  .weakKeys()
  .weakValues()
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

要初始化自定义策略,我们需要实现Expiry接口:

cache = Caffeine.newBuilder().expireAfter(new Expiry<String, DataObject>() {
    @Override
    public long expireAfterCreate(
      String key, DataObject value, long currentTime) {
        return value.getData().length() * 1000;
    }
    @Override
    public long expireAfterUpdate(
      String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
        return currentDuration;
    }
    @Override
    public long expireAfterRead(
      String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
        return currentDuration;
    }
}).build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

4.3、基于引用的清理

我们可以配置我们的缓存,允许缓存的键或值或二者一起的垃圾收集。为此,我们需要为键和值配置WeakReference的使用,并且我们可以配置SoftReference仅用于值的垃圾收集。

WeakReference的使用允许在没有对对象的任何强引用时对对象进行垃圾回收。SoftReference允许基于JVM的全局LRU(最近最少使用)策略对对象进行垃圾回收。可以在此处找到有关Java中引用的更多详细信息。

我们使用Caffeine.weakKeys()、Caffeine.weakValues()和Caffeine.softValues()来启用每个选项:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
  .weakKeys()
  .weakValues()
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

cache = Caffeine.newBuilder()
  .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
  .softValues()
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

5、缓存刷新

可以将缓存配置为在定义的时间段后自动刷新条目。让我们看看如何使用refreshAfterWrite方法做到这一点:

Caffeine.newBuilder()
  .refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

在这里,我们应该明白expireAfter和refreshAfter的一个区别:当请求过期条目时,执行会阻塞,直到build函数计算出新值。但是如果该条目符合刷新条件,则缓存将返回一个旧值并异步重新加载该值。

6、统计

Caffeine提供了一种记录缓存使用统计信息的方法:

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
  .maximumSize(100)
  .recordStats()
  .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
cache.get("A");
cache.get("A");

assertEquals(1, cache.stats().hitCount());
assertEquals(1, cache.stats().missCount());

我们还可以创建一个StatsCounter的实现作为参数来传入recordStats。每次与统计相关的更改,这个实现对象都将被调用。

7、结论

在本文中,我们熟悉了Java的Caffeine缓存库。我们看到了如何配置和存入缓存,以及如何根据需要选择合适的过期或刷新策略。

原文:https://www.baeldung.com/java-caching-caffeine

翻译:码农熊猫
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