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Redis+Caffeine构建高性能二级缓存

news 2025/5/13 5:28:55

大家好，我是摘星。今天为大家带来的是Redis+Caffeine构建高性能二级缓存，废话不多说直接开始~

二级缓存架构的技术背景

1. 基础缓存架构

2. 架构演进动因

3. 二级缓存解决方案

为什么选择本地缓存？

1. 极速访问

2. 减少网络IO

3. 降低远程缓存和数据库压力

4. 提升系统吞吐量

5. 功能灵活

本地内存具备的功能

1. 基本读写

2. 缓存淘汰策略

3. 过期时间控制

4. 缓存加载与刷新

5. 并发控制

6. 统计与监控

7. 持久化

8. 事件监听

本地缓存方案选型

1. ConcurrentHashMap

2. Guava Cache

3. Caffeine

4. Encache

方案对比

本地缓存问题及解决

1. 数据一致性

1.1. 解决方案1: 失效广播机制

1.2. 解决方案2：版本号控制

2. 内存管理问题

2.1. 解决方案1：分层缓存架构

2.2. 解决方案2：智能淘汰策略

3. GC压力

3.1. GC压力问题的产生原因

3.2. 解决方案1：堆外缓存（Off-Heap Cache）

3.3. 方案2：分区域缓存

总结

二级缓存架构的技术背景

1. 基础缓存架构

在现代分布式系统设计中，缓存是优化服务性能的核心组件。标准实现方案采用远程缓存（如Redis/Memcached）作为数据库前置层，通过以下机制提升性能：

读写策略：遵循Cache-Aside模式，仅当缓存未命中时查询数据库
核心价值：

- 将平均响应时间从数据库的10-100ms级别降至1-10ms
- 降低数据库负载50%-80%（根据命中率变化）

2. 架构演进动因

当系统面临以下场景时，纯远程缓存方案显现局限性：

问题类型	表现特征	典型案例
超高并发读取	Redis带宽成为瓶颈	热点商品详情页访问
超低延迟要求	网络往返耗时不可忽略	金融行情数据推送
成本控制需求	高频访问导致Redis扩容	用户基础信息查询

3. 二级缓存解决方案

引入本地缓存构建两级缓存体系：

一级缓存：Caffeine（高性能本地缓存）
二级缓存：Redis Cluster（高可用远程缓存）
协同机制：

- 本地缓存设置短TTL（秒级）
- 远程缓存设置长TTL（分钟级）
- 通过PubSub实现跨节点失效

为什么选择本地缓存？

1. 极速访问

内存级响应：本地缓存直接存储在应用进程的内存中（如Java堆内），访问速度通常在纳秒级（如Caffeine的读写性能可达每秒千万次），而远程缓存（如Redis）需要网络通信，延迟在毫秒级。

技术选型	响应时长
本地缓存	`~100ns`
Redis远程缓存	`~1ms`（受网络影响可能更高）
数据库查询	`~10ms` 甚至更长。

2. 减少网络IO

避免远程调用：每次访问Redis都需要经过网络I/O（序列化、传输、反序列化），本地缓存完全绕过这一过程。

适用场景：高频访问的热点数据（如商品详情、用户基础信息），通过本地缓存可减少90%以上的Redis请求。

3. 降低远程缓存和数据库压力

保护Redis：大量请求直接命中本地缓存，避免Redis成为瓶颈（尤其在高并发场景下，如秒杀、热点查询）。

减少穿透风险：本地缓存可设置短期过期时间，避免缓存失效时大量请求直接冲击数据库。

4. 提升系统吞吐量

减少线程阻塞：远程缓存访问会阻塞线程（如Redis的同步调用），本地缓存无此问题，尤其适合高并发服务。

案例：某电商系统引入Caffeine后，QPS从1万提升到5万，Redis负载下降60%。

5. 功能灵活

本地缓存支持丰富的特性，满足不同业务需求：

淘汰策略：LRU（最近最少使用）、LFU（最不经常使用）、FIFO等。
过期控制：支持基于时间（写入后过期、访问后过期）或容量触发淘汰。
原子操作：如get-if-absent-compute（查不到时自动加载），避免并发重复查询。

本地内存具备的功能

1. 基本读写

功能：基础的键值存储与原子操作。

Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();// 写入缓存
cache.put("user:1", "Alice");// 读取缓存（若不存在则自动计算）
String value = cache.get("user:1", key -> fetchFromDB(key));

2. 缓存淘汰策略

功能：限制缓存大小并淘汰数据。

算法	描述	适用场景	代码示例（Caffeine）
LRU	淘汰最久未访问的数据	热点数据分布不均匀	`.maximumSize(100).build()`
LFU	淘汰访问频率最低的数据	长期稳定的热点数据	`.maximumSize(100).build()` （W-TinyLFU）
FIFO	按写入顺序淘汰	数据顺序敏感的场景	需自定义实现

3. 过期时间控制

功能：自动清理过期数据。

Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES) // 写入后10分钟过期
.expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES) // 访问后5分钟过期
.build();

4. 缓存加载与刷新

功能：自动加载数据并支持后台刷新。

AsyncLoadingCache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES) // 1分钟后后台刷新
.buildAsync(key -> fetchFromDB(key));// 获取数据（若需刷新，不会阻塞请求）
CompletableFuture<String> future = cache.get("user:1");

5. 并发控制

功能：线程安全与击穿保护。

// 自动合并并发请求（同一key仅一次加载）
LoadingCache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build(key -> {System.out.println("仅执行一次: " + key);return fetchFromDB(key);});// 并发测试（输出1次日志）
IntStream.range(0, 100).parallel().forEach(i -> cache.get("user:1")
);

6. 统计与监控

功能：记录命中率等指标。

Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
.recordStats() // 开启统计
.build();cache.get("user:1");
CacheStats stats = cache.stats();
System.out.println("命中率: " + stats.hitRate());

7. 持久化

功能：缓存数据持久化到磁盘。

// 使用Caffeine + RocksDB（需额外依赖）
Cache<String, byte[]> cache = Caffeine.newBuilder().maximumSize(100).writer(new CacheWriter<String, byte[]>() {@Override public void write(String key, byte[] value) {rocksDB.put(key.getBytes(), value); // 同步写入磁盘}@Override public void delete(String key, byte[] value, RemovalCause cause) {rocksDB.delete(key.getBytes());}}).build();

8. 事件监听

功能：监听缓存变更事件。

Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().removalListener((key, value, cause) -> System.out.println("移除事件: " + key + " -> " + cause)).evictionListener((key, value, cause) -> System.out.println("驱逐事件: " + key + " -> " + cause)).build();

本地缓存方案选型

1. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java集合框架中提供的线程安全哈希表实现，首次出现在JDK1.5中。它采用分段锁技术（JDK8后改为CAS+synchronized优化），通过将数据分成多个段(segment)，每个段独立加锁，实现了高并发的读写能力。作为JUC(java.util.concurrent)包的核心组件，它被广泛应用于需要线程安全哈希表的场景。

原生JDK支持，零外部依赖
读写性能接近非同步的HashMap
完全线程安全，支持高并发
提供原子性复合操作(如computeIfAbsent)

import java.util.concurrent.*;
import java.util.function.Function;public class CHMCache<K,V> {private final ConcurrentHashMap<K,V> map = new ConcurrentHashMap<>(16, 0.75f, 32);private final ScheduledExecutorService cleaner = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();// 基础操作public void put(K key, V value) {map.put(key, value);}// 带TTL的putpublic void put(K key, V value, long ttl, TimeUnit unit) {map.put(key, value);cleaner.schedule(() -> map.remove(key), ttl, unit);}// 自动加载public V get(K key, Function<K,V> loader) {return map.computeIfAbsent(key, loader);}// 批量操作public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {map.putAll(m);}// 清空缓存public void clear() {map.clear();}
}

2. Guava Cache

Guava Cache是Google Guava库中的缓存组件，诞生于2011年。作为ConcurrentHashMap的增强版，它添加了缓存特有的特性。Guava项目本身是Google内部Java开发的标准库，经过大规模生产环境验证，稳定性和性能都有保障。Guava Cache广泛应用于各种需要本地缓存的Java项目中。

Google背书，质量有保证
丰富的缓存特性
良好的API设计
完善的文档和社区支持

<dependency><groupId>com.google.guava</groupId><artifactId>guava</artifactId><version>31.1-jre</version>
</dependency>

import com.google.common.cache.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class GuavaCacheDemo {public static void main(String[] args) {LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder().maximumSize(1000) // 最大条目数.expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES) // 写入后过期时间.expireAfterAccess(30, TimeUnit.MINUTES) // 访问后过期时间.concurrencyLevel(8) // 并发级别.recordStats() // 开启统计.removalListener(notification -> System.out.println("Removed: " + notification.getKey())).build(new CacheLoader<String, String>() {@Overridepublic String load(String key) throws Exception {return loadFromDB(key);}});try {// 自动加载String value = cache.get("user:1001");// 手动操作cache.put("config:timeout", "5000");cache.invalidate("user:1001");// 打印统计System.out.println(cache.stats());} catch (ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}private static String loadFromDB(String key) {// 模拟数据库查询return "DB_Result_" + key;}
}

3. Caffeine

Caffeine是Guava Cache作者的新作品，发布于2015年。它专为现代Java应用设计，采用Window-TinyLFU淘汰算法，相比传统LRU有更高的命中率。Caffeine充分利用Java 8特性（如CompletableFuture），在性能上大幅超越Guava Cache（3-5倍提升），是目前性能最强的Java本地缓存库。

超高性能
更高的缓存命中率
异步刷新机制
精细的内存控制

<dependency><groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId><artifactId>caffeine</artifactId><version>2.9.3</version>
</dependency>

import com.github.benmanes.caffeine.cache.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class CaffeineDemo {public static void main(String[] args) {// 同步缓存Cache<String, Data> cache = Caffeine.newBuilder().maximumSize(10_000).expireAfterWrite(5, TimeUnit.MINUTES).expireAfterAccess(10, TimeUnit.MINUTES).refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES).recordStats().build();// 异步加载缓存AsyncLoadingCache<String, Data> asyncCache = Caffeine.newBuilder().maximumWeight(100_000).weigher((String key, Data data) -> data.size()).expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES).buildAsync(key -> loadFromDB(key));// 使用示例Data data = cache.getIfPresent("key1");CompletableFuture<Data> future = asyncCache.get("key1");// 打印统计System.out.println(cache.stats());}static class Data {int size() { return 1; }}private static Data loadFromDB(String key) {// 模拟数据库加载return new Data();}
}

4. Encache

EEhcache是Terracotta公司开发的企业级缓存框架，始于2003年。它是JSR-107标准实现之一，支持从本地缓存扩展到分布式缓存。Ehcache的特色在于支持多级存储（堆内/堆外/磁盘），适合需要缓存持久化的企业级应用。最新版本Ehcache 3.x完全重构，提供了更现代的API设计。

企业级功能支持
多级存储架构
完善的监控管理
良好的扩展性

<dependency><groupId>org.ehcache</groupId><artifactId>ehcache</artifactId><version>3.9.7</version>
</dependency>

import org.ehcache.*;
import org.ehcache.config.*;
import org.ehcache.config.builders.*;
import java.time.Duration;public class EhcacheDemo {public static void main(String[] args) {// 1. 配置缓存管理器CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder().with(CacheManagerBuilder.persistence("/tmp/ehcache-data")).build();cacheManager.init();// 2. 配置缓存CacheConfiguration<String, String> config = CacheConfigurationBuilder.newCacheConfigurationBuilder(String.class, String.class,ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder().heap(1000, EntryUnit.ENTRIES)  // 堆内.offheap(100, MemoryUnit.MB)    // 堆外.disk(1, MemoryUnit.GB, true)   // 磁盘).withExpiry(ExpiryPolicyBuilder.timeToLiveExpiration(Duration.ofMinutes(10))).build();// 3. 创建缓存Cache<String, String> cache = cacheManager.createCache("myCache", config);// 4. 使用缓存cache.put("key1", "value1");String value = cache.get("key1");System.out.println(value);// 5. 关闭cacheManager.close();}
}

方案对比

特性	ConcurrentHashMap	Guava Cache	Caffeine	Ehcache
基本缓存功能	✓	✓	✓	✓
过期策略	✗	✓	✓	✓
淘汰算法	✗	LRU	W-TinyLFU	LRU/LFU
自动加载	✗	✓	✓	✓
异步加载	✗	✗	✓	✗
持久化支持	✗	✗	✗	✓
多级存储	✗	✗	✗	✓
命中率统计	✗	基本	详细	详细
分布式支持	✗	✗	✗	✓
内存占用	低	中	中	高

本地缓存问题及解决

1. 数据一致性

两级缓存与数据库的数据要保持一致，一旦数据发生了修改，在修改数据库的同时，本地缓存、远程缓存应该同步更新。

1.1. 解决方案1: 失效广播机制

通过Redis PubSub或Rabbit MQ等消息中间件实现跨节点通知

优点：实时性较好，能快速同步变更
缺点：增加了系统复杂度，网络分区时可能失效

如果你不想在你的业务代码发送MQ消息，还可以适用近几年比较流行的方法：订阅数据库变更日志，再操作缓存。Canal 订阅Mysql的 Binlog日志，当发生变化时向MQ发送消息，进而也实现数据一致性。