多级缓存自用

1.什么是多级缓存

传统的缓存策略一般是请求到达Tomcat后，先查询Redis，如果未命中则查询数据库，如图：

存在下面的问题：

•请求要经过Tomcat处理，Tomcat的性能成为整个系统的瓶颈

•Redis缓存失效时，会对数据库产生冲击

多级缓存就是充分利用请求处理的每个环节，添加缓存，减轻Tomcat压力，提升服务性能：

• 浏览器访问静态资源时，优先读取浏览器本地缓存

• 访问非静态资源（ajax查询数据）时，访问服务端

• 请求到达Nginx后，优先读取Nginx本地缓存

• 如果Nginx本地缓存未命中，则去直接查询Redis（不经过Tomcat）

• 如果Redis查询未命中，则查询Tomcat

• 请求进入Tomcat后，优先查询JVM进程缓存

• 如果JVM进程缓存未命中，则查询数据库

在多级缓存架构中，Nginx内部需要编写本地缓存查询、Redis查询、Tomcat查询的业务逻辑，因此这样的nginx服务不再是一个反向代理服务器，而是一个编写业务的Web服务器了。

因此这样的业务Nginx服务也需要搭建集群来提高并发，再有专门的nginx服务来做反向代理，如图：

另外，我们的Tomcat服务将来也会部署为集群模式：

可见，多级缓存的关键有两个：

• 一个是在nginx中编写业务，实现nginx本地缓存、Redis、Tomcat的查询

• 另一个就是在Tomcat中实现JVM进程缓存

其中Nginx编程则会用到OpenResty框架结合Lua这样的语言。

2.JVM进程缓存

为了演示多级缓存的案例，我们先准备一个商品查询的业务。

2.1.初识Caffeine

缓存在日常开发中启动至关重要的作用，由于是存储在内存中，数据的读取速度是非常快的，能大量减少对数据库的访问，减少数据库的压力。我们把缓存分为两类：

• 分布式缓存，例如Redis：

  • 优点：存储容量更大、可靠性更好、可以在集群间共享

  • 缺点：访问缓存有网络开销

  • 场景：缓存数据量较大、可靠性要求较高、需要在集群间共享

• 进程本地缓存，例如HashMap、GuavaCache：

  • 优点：读取本地内存，没有网络开销，速度更快

  • 缺点：存储容量有限、可靠性较低、无法共享

  • 场景：性能要求较高，缓存数据量较小

我们今天会利用Caffeine框架来实现JVM进程缓存。

Caffeine是一个基于Java8开发的，提供了近乎最佳命中率的高性能的本地缓存库。目前Spring内部的缓存使用的就是Caffeine。

Caffeine的性能非常好，下图是官方给出的性能对比：

可以看到Caffeine的性能遥遥领先！

缓存使用的基本API：

 
    @Test
    void testBasicOps() {
        // 构建cache对象
        Cache cache = Caffeine.newBuilder().build();
        // 存数据
        cache.put("gf", "迪丽热巴");
        // 取数据
        String gf = cache.getIfPresent("gf");
        System.out.println("gf = " + gf);
        // 取数据，包含两个参数：
        // 参数一：缓存的key
        // 参数二：Lambda表达式，表达式参数就是缓存的key，方法体是查询数据库的逻辑
        // 优先根据key查询JVM缓存，如果未命中，则执行参数二的Lambda表达式
        String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {
            // 根据key去数据库查询数据
            return "柳岩";
        });
        System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
    }

Caffeine既然是缓存的一种，肯定需要有缓存的清除策略，不然的话内存总会有耗尽的时候。

Caffeine提供了三种缓存驱逐策略：

• 基于容量：设置缓存的数量上限

  // 创建缓存对象
  Cache cache = Caffeine.newBuilder()
      .maximumSize(1) // 设置缓存大小上限为 1
      .build();
  

• 基于时间：设置缓存的有效时间

  // 创建缓存对象
  Cache cache = Caffeine.newBuilder()
      // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 
      .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 
      .build();
  

• 基于引用：设置缓存为软引用或弱引用，利用GC来回收缓存数据。性能较差，不建议使用。

注意：在默认情况下，当一个缓存元素过期的时候，Caffeine不会自动立即将其清理和驱逐。而是在一次读或写操作后，或者在空闲时间完成对失效数据的驱逐。

2.2.实现JVM进程缓存

2.2.1.需求

利用Caffeine实现下列需求：

• 给根据id查询商品的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库

• 给根据id查询商品库存的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库

• 缓存初始大小为100

• 缓存上限为10000

2.2.2.实现

首先，我们需要定义两个Caffeine的缓存对象，分别保存商品、库存的缓存数据。

@Configuration
public class CaffeineConfig {
    @Bean
    public Cache itemCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
    @Bean
    public Cache stockCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
}

@RestController
@RequestMapping("item")
public class ItemController {
    @Autowired
    private IItemService itemService;
    @Autowired
    private IItemStockService stockService;
    @Autowired
    private Cache itemCache;
    @Autowired
    private Cache stockCache;    
    // ...其它略
    @GetMapping("/{id}")
    public Item findById(@PathVariable("id") Long id) {
        return itemCache.get(id, key -> itemService.query()
                .ne("status", 3).eq("id", key)
                .one()
        );
    }
    @GetMapping("/stock/{id}")
    public ItemStock findStockById(@PathVariable("id") Long id) {
        return stockCache.get(id, key -> stockService.getById(key));
    }
}

3.Lua语法入门

Nginx编程需要用到Lua语言，因此我们必须先入门Lua的基本语法。

3.1.初识Lua

Lua 是一种轻量小巧的脚本语言，用标准C语言编写并以源代码形式开放， 其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。官网：The Programming Language Lua

Lua经常嵌入到C语言开发的程序中，例如游戏开发、游戏插件等。

Nginx本身也是C语言开发，因此也允许基于Lua做拓展。

3.1.HelloWorld

CentOS7默认已经安装了Lua语言环境，所以可以直接运行Lua代码。

1）在Linux虚拟机的任意目录下，新建一个hello.lua文件

2）添加下面的内容

print("Hello World!")  

3）运行

任意地方输出lua便可进入lua控制台

3.2.变量和循环

学习任何语言必然离不开变量，而变量的声明必须先知道数据的类型。

3.2.1.Lua的数据类型

Lua中支持的常见数据类型包括：

另外，Lua提供了type()函数来判断一个变量的数据类型：

3.2.2.声明变量

Lua声明变量的时候无需指定数据类型，而是用local来声明变量为局部变量：

-- 声明字符串，可以用单引号或双引号，

local str = 'hello'

-- 字符串拼接可以使用 ..

local str2 = 'hello' .. 'world'

-- 声明数字

local num = 21

-- 声明布尔类型

local flag = true

Lua中的table类型既可以作为数组，又可以作为Java中的map来使用。数组就是特殊的table，key是数组角标而已：

-- 声明数组 ，key为角标的 table

local arr = {'java', 'python', 'lua'}

-- 声明table，类似java的map

local map = {name='Jack', age=21}

Lua中的数组角标是从1开始，访问的时候与Java中类似：

-- 访问数组，lua数组的角标从1开始

Lua中的table可以用key来访问：

-- 访问table
print(map['name'])
print(map.name)

3.2.3.循环

对于table，我们可以利用for循环来遍历。不过数组和普通table遍历略有差异。

遍历数组：

-- 声明数组 key为索引的 table          数组——ipairs

local arr = {'java', 'python', 'lua'}

-- 遍历数组

for index,value in ipairs(arr) do

        print(index, value)

end

遍历普通table

-- 声明map，也就是table          map-pairs
local map = {name=