【高并發(fā)】在高并發(fā)環(huán)境下該如何構(gòu)建應(yīng)用級(jí)緩存？

大家好，我是冰河~~

隨著我們的系統(tǒng)負(fù)載越來越高，系統(tǒng)的性能就會(huì)有所下降，此時(shí)，我們可以很自然地想到使用緩存來解決數(shù)據(jù)讀寫性能低下的問題。但是，立志成為資深架構(gòu)師的你，是否能夠在高并發(fā)環(huán)境下合理并且高效的構(gòu)建應(yīng)用級(jí)緩存呢？

緩存命中率

緩存命中率是從緩存中讀取數(shù)據(jù)的次數(shù)與總讀取次數(shù)的比率，命中率越高越好。緩存命中率=從緩存中讀取次數(shù) / (總讀取次數(shù) (從緩存中讀取次數(shù) + 從慢速設(shè)備上讀取次數(shù)))。這是一個(gè)非常重要的監(jiān)控指標(biāo)，如果做緩存，則應(yīng)通過監(jiān)控這個(gè)指標(biāo)來看緩存是否工作良好。

緩存回收策略

1.基于空間

基于空間指緩存設(shè)置了存儲(chǔ)空間，如設(shè)置為10MB，當(dāng)達(dá)到存儲(chǔ)空間上限時(shí)，按照一定的策略移除數(shù)據(jù)。

2.基于容量

基于容量指緩存設(shè)置了最大大小，當(dāng)緩存的條目超過最大大小時(shí)，按照一定的策略移除舊數(shù)據(jù)。

3.基于時(shí)間

TTL(Time To Live):存活期，即緩存數(shù)據(jù)從創(chuàng)建開始直到到期的一個(gè)時(shí)間段（不管在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)有沒有被訪問，緩存數(shù)據(jù)都將過期）。

TTI(Time To Idle)：空閑期，即緩存數(shù)據(jù)多久沒被訪問后移除緩存的時(shí)間。

4.基于對(duì)象引用

軟引用：如果一個(gè)對(duì)象是軟引用，則當(dāng)JVM堆內(nèi)存不足時(shí)，垃圾回收器可以回收這些對(duì)象。軟引用適合用來做緩存，從而當(dāng)JVM堆內(nèi)存不足時(shí)，可以回收這些對(duì)象騰出一些空間供強(qiáng)引用對(duì)象使用，從而避免OOM。

弱引用：當(dāng)垃圾回收器回收內(nèi)存時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)弱引用，則將它立即回收。相對(duì)于軟引用，弱引用有更短的生命周期。

注意：只有在沒有其他強(qiáng)引用對(duì)象引用弱引用/軟引用對(duì)象時(shí)，垃圾回收時(shí)才回收該引用。即如果有一個(gè)對(duì)象（不是弱引用/軟引用對(duì)象）引用了弱引用/軟引用對(duì)象，那么垃圾回收時(shí)不會(huì)回收該弱引用/軟引用對(duì)象。

5.回收算法

使用基于空間和基于容量的緩存會(huì)使用一定的策略移除舊數(shù)據(jù)，常見的如下。

FIFO(First In First Out)：先進(jìn)先出算法，即先放入緩存的先被移除。

LRU(Least Recently Used)：最近最少使用算法，時(shí)間時(shí)間距離現(xiàn)在最久的那個(gè)被移除。

LFU(Least Frequently Used)：最不常用算法，一定時(shí)間段內(nèi)使用次數(shù)（頻率）最少的那個(gè)被移除。

實(shí)際應(yīng)用中基于LRU的緩存居多。

緩存類型

堆內(nèi)存： 使用Java堆內(nèi)存來存儲(chǔ)對(duì)象。使用堆緩存的好處是沒有序列化/反序列化，是最快的緩存。缺點(diǎn)也很明顯，當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)量很大時(shí)，GC（垃圾回收）暫停時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，存儲(chǔ)容量受限于堆空間大小。一般通過軟引用/弱引用來存儲(chǔ)緩存對(duì)象。即當(dāng)堆內(nèi)存不足時(shí)，可以強(qiáng)制回收這部分內(nèi)存釋放堆內(nèi)存空間。一般使用堆緩存存儲(chǔ)較熱的數(shù)據(jù)。可以使用Guava Cache、Ehcache 3.x、 MapDB實(shí)現(xiàn)。

堆外內(nèi)存： 即緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在堆外內(nèi)存，可以減少GC暫停時(shí)間（堆對(duì)象轉(zhuǎn)移到堆外，GC掃描和移動(dòng)的對(duì)象變少了），可以支持更多的緩存空間（只受機(jī)器內(nèi)存大小限制，不受堆空間的影響）。但是，讀取數(shù)據(jù)時(shí)需要序列化/反序列化。因此，會(huì)比堆緩存慢很多。可以使用Ehcache 3.x、 MapDB實(shí)現(xiàn)。

磁盤緩存： 即緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上，在JVM重啟時(shí)數(shù)據(jù)還存在，而堆/堆外緩存數(shù)據(jù)會(huì)丟失，需要重新加載。可以使用Ehcache 3.x、MapDB實(shí)現(xiàn)。

分布式緩存： 分布式緩存可以使用ehcache-clustered(配合Terracotta server)實(shí)現(xiàn)Java進(jìn)程間分布式緩存。也可以使用Memcached、Redis實(shí)現(xiàn)。

緩存模式

單機(jī)模式： 存儲(chǔ)最熱的數(shù)據(jù)到堆緩存，相對(duì)熱的數(shù)據(jù)到堆外緩存，不熱的數(shù)據(jù)到磁盤緩存。

集群模式： 存儲(chǔ)最熱的數(shù)據(jù)到堆緩存，相對(duì)熱的數(shù)據(jù)到對(duì)外緩存，全量數(shù)據(jù)到分布式緩存。

寫在最后

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最后，附上并發(fā)編程需要掌握的核心技能知識(shí)圖，祝大家在學(xué)習(xí)并發(fā)編程時(shí)，少走彎路。

Java JDK 任務(wù)調(diào)度 分布式 多線程

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