Java記憶體快取-通過Map定製簡單快取

快取

在程式中，快取是一個高速資料儲存層，其中儲存了資料子集，且通常是短暫性儲存，這樣日後再次請求此資料時，速度要比訪問資料的主儲存位置快。通過快取，可以高效地重用之前檢索或計算的資料。

為什麼要用快取

場景

在Java應用中，對於訪問頻率高，更新少的資料，通常的方案是將這類資料加入快取中，相對從資料庫中讀取，讀快取效率會有很大提升。

在叢集環境下，常用的分散式快取有Redis、Memcached等。但在某些業務場景上，可能不需要去搭建一套複雜的分散式快取系統，在單機環境下，通常是會希望使用內部的快取(LocalCache)。

方案

• 基於JSR107規範自研
• 基於ConcurrentHashMap實現資料快取

JSR107規範目標

• 為應用程式提供快取Java物件的功能。
• 定義了一套通用的快取概念和工具。
• 最小化開發人員使用快取的學習成本。
• 最大化應用程式在使用不同快取實現之間的可移植性。
• 支援程式內和分散式的快取實現。

JSR107規範核心概念

• Java Caching定義了5個核心介面，分別是CachingProvider, CacheManager, Cache, Entry 和 Expiry。
• CachingProvider定義了建立、配置、獲取、管理和控制多個CacheManager。一個應用可以在執行期訪問多個CachingProvider。
• CacheManager定義了建立、配置、獲取、管理和控制多個唯一命名的Cache，這些Cache存在於- CacheManager的上下文中。一個CacheManager僅被一個CachingProvider所擁有。
• Cache是一個類似Map的資料結構並臨時儲存以Key為索引的值。一個Cache僅被一個CacheManager所擁有。
• Entry是一個儲存在Cache中的key-value對。
• 每一個儲存在Cache中的條目有一個定義的有效期，即Expiry Duration。 一旦超過這個時間，條目為過期的狀態。一旦過期，條目將不可訪問、更新和刪除。快取有效期可以通過ExpiryPolicy設定。

小例子

使用Map來實現一個簡單的快取功能

MapCacheDemo.java

package me.xueyao.cache.java;

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;


/**
 * @author simon
 * 用map實現一個簡單的快取功能
 */
public class MapCacheDemo {

    /**
     * 使用  ConcurrentHashMap，執行緒安全的要求。
     * 我使用SoftReference <Object>  作為對映值，因為軟引用可以保證在丟擲OutOfMemory之前，如果缺少記憶體，將刪除引用的物件。
     * 在建構函式中，我建立了一個守護程式執行緒，每5秒掃描一次並清理過期的物件。
     */
    private static final int CLEAN_UP_PERIOD_IN_SEC = 5;

    private final ConcurrentHashMap<String, SoftReference<CacheObject>> cache = new ConcurrentHashMap<>();

    public MapCacheDemo() {
        Thread cleanerThread = new Thread(() -> {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                try {
                    Thread.sleep(CLEAN_UP_PERIOD_IN_SEC * 1000);
                    cache.entrySet().removeIf(entry ->
                            Optional.ofNullable(entry.getValue())
                                    .map(SoftReference::get)
                                    .map(CacheObject::isExpired)
                                    .orElse(false));
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        });
        cleanerThread.setDaemon(true);
        cleanerThread.start();
    }

    public void add(String key, Object value, long periodInMillis) {
        if (key == null) {
            return;
        }
        if (value == null) {
            cache.remove(key);
        } else {
            long expiryTime = System.currentTimeMillis() + periodInMillis;
            cache.put(key, new SoftReference<>(new CacheObject(value, expiryTime)));
        }
    }

    public void remove(String key) {
        cache.remove(key);
    }

    public Object get(String key) {
        return Optional.ofNullable(cache.get(key)).map(SoftReference::get).filter(cacheObject -> !cacheObject.isExpired()).map(CacheObject::getValue).orElse(null);
    }

    public void clear() {
        cache.clear();
    }

    public long size() {
        return cache.entrySet().stream().filter(entry -> Optional.ofNullable(entry.getValue()).map(SoftReference::get).map(cacheObject -> !cacheObject.isExpired()).orElse(false)).count();
    }

    /**
     * 快取物件value
     */
    private static class CacheObject {
        private Object value;
        private long expiryTime;

        private CacheObject(Object value, long expiryTime) {
            this.value = value;
            this.expiryTime = expiryTime;
        }

        boolean isExpired() {
            return System.currentTimeMillis() > expiryTime;
        }

        public Object getValue() {
            return value;
        }

        public void setValue(Object value) {
            this.value = value;
        }
    }
}
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程式碼測試類MapCacheDemoTests.java

package me.xueyao.cache.java;

public class MapCacheDemoTests {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MapCacheDemo mapCacheDemo = new MapCacheDemo();
        mapCacheDemo.add("uid_10001", "{1}", 5 * 1000);
        mapCacheDemo.add("uid_10002", "{2}", 5 * 1000);
        mapCacheDemo.add("uid_10003", "{3}", 5 * 1000);
        System.out.println("從快取中取出值:" + mapCacheDemo.get("uid_10001"));
        Thread.sleep(5000L);
        System.out.println("5秒鐘過後");
        System.out.println("從快取中取出值:" + mapCacheDemo.get("uid_10001"));
        // 5秒後資料自動清除了~
    }
}

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