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詳細介紹高性能Java緩存庫Caffeine

1、介紹

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在本文中，我們來看看Caffeine — 一個高性能的 Java 緩存庫。

緩存和 Map 之間的一個根本區(qū)別在于緩存可以回收存儲的 item。

回收策略為在指定時間刪除哪些對象。此策略直接影響緩存的命中率 — 緩存庫的一個重要特征。

Caffeine 因使用 Window TinyLfu 回收策略，提供了一個近乎最佳的命中率。

2、依賴

我們需要在 pom.xml 中添加 caffeine 依賴：

<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、填充緩存

讓我們來了解一下 Caffeine 的三種緩存填充策略：手動、同步加載和異步加載。

首先，我們?yōu)橐彺嬷写鎯Φ闹殿愋蛯懸粋€類：

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、手動填充

在此策略中，我們手動將值放入緩存之后再檢索。

讓我們初始化緩存：

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

現在，我們可以使用 getIfPresent 方法從緩存中獲取一些值。 如果緩存中不存在此值，則此方法將返回 null：

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

我們可以使用 put 方法手動填充緩存：

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

我們也可以使用 get 方法獲取值，該方法將一個參數為 key 的 Function 作為參數傳入。如果緩存中不存在該鍵，則該函數將用于提供回退值，該值在計算后插入緩存中：

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

get 方法可以原子方式執(zhí)行計算。這意味著您只進行一次計算 — 即使多個線程同時請求該值。這就是為什么使用 get 優(yōu)于 getIfPresent。

有時我們需要手動使一些緩存的值失效：

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

3.2、同步加載

這種加載緩存的方法使用了與用于初始化值的 Function 相似的手動策略的 get 方法。讓我們看看如何使用它。

首先，我們需要初始化緩存：

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

現在我們可以使用 get 方法檢索值：

DataObject dataObject = cache.get(key);
 
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());

我們也可以使用 getAll 方法獲取一組值：

Map<String, DataObject> dataObjectMap 
 = cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"));
 
assertEquals(3, dataObjectMap.size());

從傳遞給 build 方法的底層后端初始化函數檢索值。 這使得可以使用緩存作為訪問值的主要門面（Facade）。

3.3、異步加載

此策略的作用與之前相同，但是以異步方式執(zhí)行操作，并返回一個包含值的 CompletableFuture：

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

我們可以以相同的方式使用 get 和 getAll 方法，同時考慮到他們返回的是 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 有許多有用的 API，您可以在此文中獲取更多內容。

4、值回收

Caffeine 有三個值回收策略：基于大小，基于時間和參考。

4.1、基于大小回收

這種回收方式假定當超過配置的緩存大小限制時會發(fā)生回收。 獲取大小有兩種方法：緩存中計數對象，或獲取權重。

讓我們看看如何計算緩存中的對象。當緩存初始化時，其大小等于零：

LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
 .maximumSize(1)
 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
 
assertEquals(0, cache.estimatedSize());

當我們添加一個值時，大小明顯增加：

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

我們可以將第二個值添加到緩存中，這導致第一個值被刪除：

cache.get("B");
cache.cleanUp();
 
assertEquals(1, cache.estimatedSize());

值得一提的是，在獲取緩存大小之前，我們調用了 cleanUp 方法。 這是因為緩存回收被異步執(zhí)行，這種方法有助于等待回收的完成。

我們還可以傳遞一個 weigher Function 來獲取緩存的大?。?/p>

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());

當 weight 超過 10 時，值將從緩存中刪除：

cache.get("C");
cache.cleanUp();
 
assertEquals(2, cache.estimatedSize());

4.2、基于時間回收

這種回收策略是基于條目的到期時間，有三種類型：

  1. 訪問后到期 — 從上次讀或寫發(fā)生后，條目即過期。
  2. 寫入后到期 — 從上次寫入發(fā)生之后，條目即過期
  3. 自定義策略 — 到期時間由 Expiry 實現獨自計算

讓我們使用 expireAfterAccess 方法配置訪問后過期策略：

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

要配置寫入后到期策略，我們使用 expireAfterWrite 方法：

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

要初始化自定義策略，我們需要實現 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、基于引用回收

我們可以將緩存配置為啟用緩存鍵值的垃圾回收。為此，我們將 key 和 value 配置為 弱引用，并且我們可以僅配置軟引用以進行垃圾回收。

當沒有任何對對象的強引用時，使用 WeakRefence 可以啟用對象的垃圾收回收。SoftReference 允許對象根據 JVM 的全局最近最少使用（Least-Recently-Used）的策略進行垃圾回收。有關 Java 引用的更多詳細信息，請參見此處。

我們應該使用 Caffeine.weakKeys()、Caffeine.weakValues() 和 Caffeine.softValues() 來啟用每個選項：

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、刷新

可以將緩存配置為在定義的時間段后自動刷新條目。讓我們看看如何使用 refreshAfterWrite 方法：

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

這里我們應該要明白 expireAfter 和 refreshAfter 之間的區(qū)別。 當請求過期條目時，執(zhí)行將發(fā)生阻塞，直到 build Function 計算出新值為止。

但是，如果條目可以刷新，則緩存將返回一個舊值，并異步重新加載該值。

6、統(tǒng)計

Caffeine 有一種記錄緩存使用情況的統(tǒng)計方式：

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());

我們也可能會傳入 recordStats supplier，創(chuàng)建一個 StatsCounter 的實現。每次與統(tǒng)計相關的更改將推送此對象。

7、結論

在本文中，我們熟悉了 Java 的 Caffeine 緩存庫。 我們看到了如何配置和填充緩存，以及如何根據我們的需要選擇適當的到期或刷新策略。

文中示例的源代碼可以在 Github 上找到。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯。

標題名稱：詳細介紹高性能Java緩存庫Caffeine
本文網址：http://aaarwkj.com/article46/jjhphg.html

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