一、摘要

在互联网公司面试时，说到缓存，面试官基本上会绕不开的几个话题：项目中哪些地方用到了缓存？为什么要使用缓存？怎么使用它的？引入缓存后会带来哪些问题？

引入缓存，其实主要有两个用途：高性能、高并发。

性能体现在引入缓存之前，以商城网站为例，频繁的从数据库里面获取商品数据，也就需要频繁执行SQL等待结果，若数据量很大同时请求频次逐渐增高，响应就逐渐缓慢；引入缓存之后，将数据库里面查询出来的商品数据信息存入缓存，需要时直接从缓存服务获取结果，效率极大提升。

并发体现在引入缓存之前，以 MySQL数据库为例，单台机器一秒内的请求次数到达 2000 之后就会开始报警；引入缓存之后，比如以 Redis 缓存服务器为例，单台机器一秒内的请求次数支持 110000 次，两者支持的并发量完全不是一个数量级的。

缓存和数据库效率差距大的根本原因：缓存数据存储在内存，数据库数据存储在磁盘，
而计算机中内存的数据读写性能远超磁盘的读写性能。但电脑重启后内存数据易丢失，而磁盘数据不易丢失。

所以数据存储方案不同，造就不同的实践用途。接下来就浅谈缓存，主要是本地缓存的使用。

二、本地缓存

从缓存面向的对象不同，缓存分为：本地缓存、分布式缓存和多级缓存。
（1）本地缓存：在单个计算机服务实例中，直接把数据缓存到内存中进行使用。
（2）分布式缓存：将一个计算机服务，同时在多台计算机里部署，所需数据无法共享（比如session会话）而引入一个独立部署的缓存服务来连接多台服务器的技术实践方案。
（3）多级缓存：在实际的业务中，本地缓存和分布式缓存会同时结合进行使用，当收到访问某个数据的操作时，会优先从本地缓存服务（一级缓存）查询，如果没有，再从分布式缓存服务（二级缓存）里面获取，如果也没有，最后再从数据库里面获取；从数据库查询完成之后，在依次更新分布式缓存服务、本地缓存服务的技术实践方案。

三、本地缓存实现方案

缓存关注点：第一是内存持久化；第二是支持缓存的数据自动过期清除。

3.1 自己编程实现一个缓存

对于简单的数据缓存，完全可以自行编写一套缓存服务。实现思路很简单：采用ConcurrentHashMap作为缓存数据存储服务，然后开启一个定时调度，每隔500毫秒检查一下过期的缓存数据，然后清除。
首先创建一个缓存实体类：

public class CacheEntity {

    /**
     * 缓存键
     */
    private String key;

    /**
     * 缓存值
     */
    private Object value;

    /**
     * 过期时间
     */
    private Long expireTime;

    //...set、get
}

接着，创建一个缓存操作工具类CacheUtils：

public class CacheUtils {

    /**
     * 缓存数据
     */
    private final static Map<String, CacheEntity> CACHE_MAP = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 定时器线程池，用于清除过期缓存
     */
    private static ScheduledExecutorService executor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();

    static {
        // 注册一个定时线程任务，服务启动1秒之后，每隔500毫秒执行一次
        executor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 清理过期缓存
                clearCache();
            }
        },1000,500,TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    /**
     * 添加缓存
     * @param key    缓存键
     * @param value  缓存值
     */
    public static void put(String key, Object value){
        put(key, value, 0);
    }

    /**
     * 添加缓存
     * @param key    缓存键
     * @param value  缓存值
     * @param expire 缓存时间，单位秒
     */
    public static void put(String key, Object value, long expire){
        CacheEntity cacheEntity = new CacheEntity()
                .setKey(key)
                .setValue(value);
        if(expire > 0){
            Long expireTime = System.currentTimeMillis() + Duration.ofSeconds(expire).toMillis();
            cacheEntity.setExpireTime(expireTime);
        }
        CACHE_MAP.put(key, cacheEntity);
    }


    /**
     * 获取缓存
     * @param key
     * @return
     */
    public static Object get(String key){
        if(CACHE_MAP.containsKey(key)){
            return CACHE_MAP.get(key).getValue();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 移除缓存
     * @param key
     */
    public static void remove(String key){
        if(CACHE_MAP.containsKey(key)){
            CACHE_MAP.remove(key);
        }
    }

    /**
     * 清理过期的缓存数据
     */
    private static void clearCache(){
        if(CACHE_MAP.size() > 0){
            return;
        }
        Iterator<Map.Entry<String, CacheEntity>> iterator = CACHE_MAP.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Map.Entry<String, CacheEntity> entry = iterator.next();
            if(entry.getValue().getExpireTime() != null && entry.getValue().getExpireTime().longValue() > System.currentTimeMillis()){
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

最后，创建测试main方法：

/ 写入缓存数据，过期时间为3秒
CacheUtils.put("userName", "张三", 3);

// 读取缓存数据
Object value1 = CacheUtils.get("userName");
System.out.println("第一次查询结果：" + value1);

// 停顿4秒
Thread.sleep(4000);

// 读取缓存数据
Object value2 = CacheUtils.get("userName");
System.out.println("第二次查询结果：" + value2);

结果：

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：null

3.2 基于 Guava Cache 实现本地缓存

Guava 是 Google 团队开源的一款 Java 核心增强库，包含集合、并发原语、缓存、IO、反射等工具箱，性能和稳定性上都有保障，应用十分广泛。而Guava Cache 很强大，支持很多特性如下：

支持最大容量限制
支持两种过期删除策略（插入时间和读取时间）
支持简单的统计功能
基于 LRU 算法实现

首先pom.xml引入guava依赖：

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

使用：

// 创建一个缓存实例
Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
        // 初始容量
        .initialCapacity(5)
        // 最大缓存数，超出淘汰
        .maximumSize(10)
        // 过期时间
        .expireAfterWrite(3, TimeUnit.SECONDS)
        .build();

// 写入缓存数据
cache.put("userName", "张三");

// 读取缓存数据
String value1 = cache.get("userName", () -> {
    // 如果key不存在，会执行回调方法
    return "key已过期";
});
System.out.println("第一次查询结果：" + value1);

// 停顿4秒
Thread.sleep(4000);

// 读取缓存数据
String value2 = cache.get("userName", () -> {
    // 如果key不存在，会执行回调方法
    return "key已过期";
});
System.out.println("第二次查询结果：" + value2);

输出结果：

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：key已过期

3.3 基于 Caffeine 实现本地缓存

Caffeine 是基于 java8 实现的新一代缓存工具，缓存性能接近理论最优，可以看作是 Guava Cache 的增强版，功能上两者类似，不同的是 Caffeine 采用了一种结合 LRU、LFU 优点的算法：W-TinyLFU，在性能上有明显的优越性。
首先pom.xml引入caffeine依赖：

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

使用：

// 创建一个缓存实例
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
        // 初始容量
        .initialCapacity(5)
        // 最大缓存数，超出淘汰
        .maximumSize(10)
        // 设置缓存写入间隔多久过期
        .expireAfterWrite(3, TimeUnit.SECONDS)
        // 设置缓存最后访问后间隔多久淘汰，实际很少用到
        //.expireAfterAccess(3, TimeUnit.SECONDS)
        .build();

// 写入缓存数据
cache.put("userName", "张三");

// 读取缓存数据
String value1 = cache.get("userName", (key) -> {
    // 如果key不存在，会执行回调方法
    return "key已过期";
});
System.out.println("第一次查询结果：" + value1);

// 停顿4秒
Thread.sleep(4000);

// 读取缓存数据
String value2 = cache.get("userName", (key) -> {
    // 如果key不存在，会执行回调方法
    return "key已过期";
});
System.out.println("第二次查询结果：" + value2);

输出结果：

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：key已过期

3.4 基于 Encache 实现本地缓存

Encache 是一个纯 Java 的进程内缓存框架，具有快速、精干等特点，是 Hibernate 中默认的 CacheProvider。

同 Caffeine 和 Guava Cache 相比，Encache 的功能更加丰富，扩展性更强，特性如下：

支持多种缓存淘汰算法，包括 LRU、LFU 和 FIFO
缓存支持堆内存储、堆外存储、磁盘存储（支持持久化）三种
支持多种集群方案，解决数据共享问题

首先pom.xml引入ehcache依赖：

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

使用：

/**
 * 自定义过期策略实现
 */
public  class CustomExpiryPolicy<K, V> implements ExpiryPolicy<K, V> {

    private final Map<K, Duration> keyExpireMap = new ConcurrentHashMap();


    public Duration setExpire(K key, Duration duration) {
        return keyExpireMap.put(key, duration);
    }

    public Duration getExpireByKey(K key) {
        return Optional.ofNullable(keyExpireMap.get(key))
                .orElse(null);
    }

    public Duration removeExpire(K key) {
        return keyExpireMap.remove(key);
    }

    @Override
    public Duration getExpiryForCreation(K key, V value) {
        return Optional.ofNullable(getExpireByKey(key))
                .orElse(Duration.ofNanos(Long.MAX_VALUE));
    }

    @Override
    public Duration getExpiryForAccess(K key, Supplier<? extends V> value) {
        return getExpireByKey(key);
    }

    @Override
    public Duration getExpiryForUpdate(K key, Supplier<? extends V> oldValue, V newValue) {
        return getExpireByKey(key);
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    String userCache = "userCache";

    // 自定义过期策略
    CustomExpiryPolicy<Object, Object> customExpiryPolicy = new CustomExpiryPolicy<>();

    // 声明一个容量为20的堆内缓存配置
    CacheConfigurationBuilder configurationBuilder = CacheConfigurationBuilder
            .newCacheConfigurationBuilder(String.class, String.class, ResourcePoolsBuilder.heap(20))
            .withExpiry(customExpiryPolicy);

    // 初始化一个缓存管理器
    CacheManager cacheManager = CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder()
            // 创建cache实例
            .withCache(userCache, configurationBuilder)
            .build(true);

    // 获取cache实例
    Cache<String, String> cache = cacheManager.getCache(userCache, String.class, String.class);
    // 获取过期策略
    CustomExpiryPolicy expiryPolicy = (CustomExpiryPolicy)cache.getRuntimeConfiguration().getExpiryPolicy();

    // 写入缓存数据
    cache.put("userName", "张三");
    // 设置3秒过期
    expiryPolicy.setExpire("userName", Duration.ofSeconds(3));

    // 读取缓存数据
    String value1 = cache.get("userName");
    System.out.println("第一次查询结果：" + value1);

    // 停顿4秒
    Thread.sleep(4000);

    // 读取缓存数据
    String value2 = cache.get("userName");
    System.out.println("第二次查询结果：" + value2);
}

输出结果：

第一次查询结果：张三
第二次查询结果：null

3.5 小结

对于本地缓存的技术选型，推荐采用 Caffeine，性能上遥遥领先。功能与Guava 类似，而Encache虽支持持久化和集群，但不如分布式缓存中间件Redis。

四、使用缓存的坑

在项目中经常会使用缓存，但用不好的话坑也挺多的：

4.1 缓存穿透

当用户请求的id在缓存中不存在或恶意用户伪造不存在的id发起请求，每次从缓存中都查不到数据，而需要查询数据库，同时数据库中也没有查到该数据，也没法放入缓存。也就是每次这个用户请求过来的时候，都要查询一次数据库。
很显然，缓存根本没起作用，好像被穿透一样，每次都会去访问数据库，而直接请求数据库数量非常多，数据库可能因为扛不住压力而崩溃。
解决方案： 缓存空值
当某个用户id在缓存中查不到，在数据库中也查不到时，也要将该用户id缓存起来，只不过值是空的。这样后面的请求，再拿相同的用户id发起请求时，就能从缓存中获取空数据，直接返回而无需再去查数据库。
比如redis:

redisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);

4.2 缓存击穿

在访问热点数据时，该热点在缓存中过期失效，导致这些大量请求短时间都直接怼到数据库，可能会造成瞬间数据库压力过大，而直接挂掉。
解决方案：
（1）加锁。在访问数据库时加锁，防止多个相同keyId的请求同时访问数据库。

try {
  String result = jedis.set(keyId, requestId, "NX", "PX", expireTime);
  if ("OK".equals(result)) {
    return queryInfoById(keyId);
  }
} finally{
    unlock(keyId,requestId);
}  
return null;

（2）自动续期
在key快要过期之前，用job给指定key自动续期。比如redis使用lua脚本。
（3）永久有效
对于很多热门key，其实是可以不用设置过期时间，让其永久有效的。

4.3 缓存雪崩

而缓存雪崩是缓存击穿的升级版，缓存击穿说的是某一个热门key失效了，而缓存雪崩说的是有多个热门key同时失效。
缓存雪崩目前有两种：

（1）有大量的热门缓存，同时失效。会导致大量的请求，访问数据库。而数据库很有可能因为扛不住压力，而直接挂掉。
（2）缓存服务器down机，可能是机器硬件问题，或者机房网络问题。总之，造成了整个缓存的不可用。

解决方案：
（1） 过期时间加随机数，不要设置相同的过期时间，可以在设置的过期时间基础上，再加个1~60秒的随机数。

实际过期时间 = 过期时间 + 1~60秒的随机数

（2）保证高可用
比如：如果使用了redis，可以使用哨兵模式，或者集群模式，避免出现单节点故障导致整个redis服务不可用的情况。

（3）服务降级
需要配置一些默认的兜底数据。程序中有个全局开关，比如有10个请求在最近一分钟内，从redis中获取数据失败，则全局开关打开。后面的新请求，就直接从配置中心中获取默认的数据。

4.4 数据不一致

数据库和缓存（比如：redis）双写数据一致性问题，是一个跟开发语言无关的公共问题。尤其高并发场景这个问题尤为严重。
解决方案：
先写数据库，再删缓存！
先写数据库，再删缓存！
先写数据库，再删缓存！
除非同时满足：

缓存刚好自动失效。
读请求从数据库查出旧值，更新缓存的耗时，比写请求写数据库，并且删除缓存的还长。

才会出现数据不一致，但系统同时满足上述两个条件的概率非常小。

4.5 大key问题

在使用缓存的时候，特别是Redis，经常会遇到大key问题（缓存中单个key的value值过大）。
项目经历：

在一个风控项目中曾开发过一个分类树查询接口，系统刚上线时，数据量少，在Redis中定义的key比较小，
我在做系统设计时，也没考虑到这个问题。系统运行很长一段时间也没有问题。但随着时间的推移，用户的数据越来越多，
用户的购买行为分类树也越来越大，慢慢形成大key问题。后来某一天之后发现，线上查询客户画像接口耗时越来越长，
追查原因，发现单个用户分类数据涨到上万个，导致该接口出现性能问题，追查发现分类树json串已经接近16MB，而引发大key问题导致的。

解决方案：
（1）缩减字段名
优化在Redis中存储数据的大小，首先需要对数据进行瘦身。只保存需要用到的字段：

@AllArgsConstructor
@Data
public class Category {

    private Long id;
    private String name;
    private Long parentId;
    private Date inDate;
    private Long inUserId;
    private String inUserName;
    private List<Category> children;
}

这个分类对象中inDate、inUserId和inUserName字段是可以不用保存的。
然后，修改自动名称：

@AllArgsConstructor
@Data
public class Category {
    /**
     * 分类编号
     */
    @JsonProperty("i")
    private Long id;

    /**
     * 分类层级
     */
    @JsonProperty("l")
    private Integer level;

    /**
     * 分类名称
     */
    @JsonProperty("n")
    private String name;

    /**
     * 父分类编号
     */
    @JsonProperty("p")
    private Long parentId;

    /**
     * 子分类列表
     */
    @JsonProperty("c")
    private List<Category> children;
}

由于在一万多条数据中，每条数据的字段名称是固定的，他们的重复率太高，由此，可以在json序列化时，改成一个简短的名称，以便于返回更少的数据大小。

（2）压缩数据
由于在Redis中保存的key/value，其中的value我是存储json格式的字符串，但是占用内存很大，所以需要对存储的数据做压缩。

由于RedisTemplate支持，value保存byte数组，因此先将json字符串数据用GZip工具类压缩成byte数组，然后保存到Redis中。

在获取数据时，将byte数组转换成json字符串，然后再转换成分类树。

这样优化之后，保存到Redis中的分类树的数据大小减少10倍，从而解决大key问题。

4.6 热key问题

二八原理描述：80%的用户经常访问20%的热点数据。引发数据倾斜，不能均匀分布，尤其是高并发系统中问题比较大。

比如有个促销系统，有几款商品性价比非常高，这些商品数据在Redis中按分片保存的，不同的数据保存在不同的服务器节点上。
如果用户疯狂抢购其中3款商品，而这3款商品正好保存在同一台Redis服务端节点。
这样会出现大量的用户请求集中访问同一天Redis服务器节点，该节点很有可能会因为扛不住这么大的压力，而直接down机。

解决方案：
（1）拆分key：提前做好评估，将热点数据分开存储在不同redis服务器来分摊压力。
（2）增加本地缓存：对于热key数据，可以增加一层本地缓存（见前文），能够提升性能的同时也能避免Redis访问量过大的问题。但可能会出现数据不一致问题。

4.7 命中率问题

前面的情况都影响缓存的命中率问题，因为可能会出现缓存不存在，或者缓存过期等问题，导致缓存不能命中。
解决方案：
（1）缓存预热
在API服务启动之前，可以先用job，将相关数据先保存到缓存中，做预热。
这样后面的请求，就能直接从缓存中获取数据，而无需访问数据库。
（2）合理调整过期时间
（3）增加缓存内存