Go實戰 | 基於本地記憶體的快取的應用及實現

大家好，我是Go學堂的漁夫子。

對於快取，大家都不陌生。百度百科的定義是這樣的：

快取是指可以進行高速資料交換的儲存器，它先於記憶體與CPU交換資料，因此速率很快。

由此可知，快取是用來提高資料交換速度的。我們今天要講的快取不是CPU中的快取，而是在應用程式中對資料庫的快取。應用程式先於資料庫，從快取中讀取資料，以降低資料庫的壓力，提高應用程式的讀取效能。

在實際專案中，相信大家也都遇到過類似的情景：資料量小，但訪問又較頻繁（例如國家標準行政區域資料），想將其完全存放於本地記憶體中。這樣就可以避免直接訪問mysql或redis，減少網路傳輸，提高訪問速度。那具體應該怎麼實現呢？

本文就介紹一種Go專案中經常使用到的方法：將資料從資料庫中載入到本地檔案，然後再將檔案中的資料載入到記憶體中，記憶體中的資料直接供應用程式使用。如下圖所示：

本文會忽略資料庫到本地檔案的過程，因為這個環節就是一個檔案上傳和下載到本地的過程。所以我們會重點講解如何從本地檔案載入資料到記憶體中這個環節。

01 目標

在Go語言的專案中，將本地檔案的資料載入到應用程式的記憶體中，以供應用程式直接使用。

我們再將目標拆解成兩個目標：

1、程式啟動時，將本地檔案的資料初始化到記憶體中，即冷啟動

2、程式執行期間，本地檔案有更新時，將資料更新到記憶體中。

02 程式碼實現

本文主要是目的就是給大家講解目標的實現，所以不會帶大家一步步分析，而是通過講解已實現的程式碼來給大家提供一種參考實現。

所以，我們先給出我們設計的類圖：

從類圖中可知，有兩個主要的結構體：FileDoubleBuffer和LocalFileLoader。下面我們一一講解這兩個結構體的屬性和方法實現。

2.1 場景假設

我們以城市的天氣狀況為示例，將每個城市的實時溫度和風力以json格式儲存在檔案中，當城市的溫度或風力有變化時，再更新該檔案。如下：

{
    "beijing": {
        "temperature": 23,
        "wind": 3
    },
    "tianjin": {
        "temperature": 20,
        "wind": 2
    },
    "shanghai": {
        "temperature": 20,
        "wind": 20
    },
    "chongqing": {
        "temperature": 30,
        "wind": 10
    }
}

2.2 main的呼叫

這裡，先給出main函式的呼叫示例，根據main函式中的實現，我們一步步看圖中兩個主要結構體的實現，程式碼如下：

//第一步，定義裝載檔案中資料的結構體
type WeatherContainer struct {
    Weathers map[string]*Weather //每個城市對應的實況天氣
}
//檔案資料中每個城市的天氣狀況
type Weather struct {
    Temperature int //當前氣溫 `json:"temperature"`
    Wind        int //當前風力 `json:"wind"`
}
func main() {
    pwd, _ := os.Getwd()
    //載入的檔案路徑
    filename := pwd + "/cache/cache.json"
    //初始化本地檔案載入器
    localFileLoader := NewLocalFileLoader(filename)
    //初始化檔案緩衝例項，將localFileLoader作為底層的檔案緩衝
    fileDoubleBuffer := NewFileDoubleBuffer(localFileLoader)

    // 開始將檔案中的內容載入到緩衝變數中，本質上就是通過load和reload載入檔案資料    
    fileDoubleBuffer.StartFileBuffer()

    //獲取資料
    weathersConfig := fileDoubleBuffer.Data().(*WeatherContainer)
    fmt.Println("weathers:", weathersConfig.Weathers["beijing"])

    blockCh := make(chan int)
    //該通道用於阻塞程式不結束，這樣reload的協程就可以執行了
    <-blockCh
}

2.3 FileDoubleBuffer結構體及實現

該結構體的作用主要是面向應用程式（我們這裡是main函式），供應用程式直接從記憶體即bufferData中獲取資料的。該結構體的定義如下：

// main應用主要面向該結構體獲取資料
type FileDoubleBuffer struct {
    Loader     *LocalFileLoader
    bufferData []interface{}
    curIndex   int32
    mutex      sync.Mutex
}

首先看該結構體的屬性：

Loader：是一個LocalFileLoader型別（後面會定義該結構體），用於從具體的檔案中載入資料到bufferData中。

bufferData切片：接收檔案中資料的變數。一方面會將檔案中的資料載入到該變數中。另一方面，應用程式直接從該變數中獲取想要的資料資訊，而非檔案或資料庫。該變數的資料型別是interface{}，說明可以載入任何型別的資料結構。另外，我們注意該變數是一個切片，該切片只有2個元素，兩個元素具有相同的資料結構，結合curIndex屬性使用。

curIndex：該屬性是指定當前bufferData正在使用哪個索引中的資料，該屬性的值在0和1之間迴圈，用於新老資料的切換。例如，當前對外使用的是curIndex=1這個索引元素的資料，當檔案中有新資料時，先將檔案的資料載入到索引0這個元素中，當將檔案的資料完全載入完後，再將curIndex的值指向0。這樣，當檔案中有新資料進行重新整理記憶體中的資料時，不會影響應用程式對老資料的使用。

再來看FileDoubleBuffer中的函式：

Data()函式

應用程式通過該函式來獲取FileDoubleBuffer中的dataBuffer資料。具體實現如下：

func (buffer *FileDoubleBuffer) Data() interface{} {
    // bufferData實際上儲存了兩個相同結構的元素，用於切換新老資料
    index := atomic.LoadInt32(&buffer.curIndex)
    return buffer.bufferData[index]
}

load函式

該函式是用於載入檔案中的資料到bufferData中。程式碼實現如下：

func (buffer *FileDoubleBuffer) load() {
  buffer.mutex.Lock()
  defer buffer.mutex.Unlock()
  //判斷當前使用的是bufferData陣列哪個元素
  // 因bufferData中只有兩個元素，所以要麼是0，要麼是1
  curIndex := 1 - atomic.LoadInt32(&buffer.curIndex)

  err := buffer.Loader.Load(buffer.bufferData[curIndex])
  if err == nil {
    atomic.StoreInt32(&buffer.curIndex, curIndex)
  }
}

reload函式

用於從檔案中載入新的資料到bufferData中。實際上是一個for迴圈，每隔一定的時間執行一次load函式，程式碼如下：

func (buffer *FileDoubleBuffer) reload() {
  for {
    time.Sleep(time.Duration(5) * time.Second)
    fmt.Println("開始載入...")
    buffer.load()
  }
}

StartFileBuffer函式

該函式的作用是啟動資料的載入和更新，程式碼如下：

func (buffer *FileDoubleBuffer) StartFileBuffer() {
  buffer.load()
  go buffer.reload()
}

NewFileDoubleBuffer(loader *LocalFileLoader) *FileDoubleBuffer 函式

該函式的作用是初始化FileDoubleBuffer例項，程式碼如下：

func NewFileDoubleBuffer(loader *LocalFileLoader) *FileDoubleBuffer {
  buffer := &FileDoubleBuffer{
    Loader:   loader,
    curIndex: 0,
  }

  //這裡分配記憶體空間，以便將檔案中的值載入到該變數中，供應用程式使用
  buffer.bufferData = append(buffer.bufferData, loader.Alloc(), loader.Alloc())
  return buffer
}

2.4 LocalFileLoader結構體及實現
由於我們是將資料先從資料庫載入到本地檔案上，然後再將檔案的資料載入到記憶體緩衝區中，故有了LocalFileLoader結構體。該結構體的作用是執行具體的檔案資料載入和檢測檔案更新的任務。LocalFileLoader的定義如下：

type LocalFileLoader struct {
  filename       string //需要載入的檔案，完整路徑
  lastModifyTime int64  //檔案最近一次的修改時間
}

首先來看該結構體的屬性：

filename：指定具體的檔名，說明從該檔案中載入資料

modifyTime：最後一次載入檔案的時間。如果檔案的更新時間大於該時間，則說明檔案有更新

再來看LocalFileLoader中的函式：

Load（filename string, i interface)函式

該函式用於將filename檔案中的資料載入到變數i中。該變數i實際上是從FileDoubleBuffer中傳進來的bufferData中的元素，程式碼如下：

// 這裡i變數實際上是從FileDoubleBuffer結構的load方法中傳入的dataBuffer中的一個元素
func (loader *LocalFileLoader) Load(i interface{}) error {
    // WeatherContainer結構體是依據檔案中具體儲存的資料定義的，後面會講到
    weatherContainer := i.(*WeatherContainer)
    fileHandler, _ := os.Open(loader.filename)
    defer fileHandler.Close()
    body, _ := ioutil.ReadAll(fileHandler)
    _ := json.Unmarshal(body, &weatherContainer.Weathers)
    // 這裡我們省略了那些err的判斷
    return nil
}

DetectNewFile()函式

該函式用於檢測filename檔案是否有更新，如果檔案的修改時間大於modifyTime，則FileDoubleBuffer會將新的資料載入到dataBuffer中。程式碼如下：

// 該函式檢查檔案是否有更新，如果有更新 則返回true，否則返回false
func (loader *LocalFileLoader) DetectNewFile() bool {
    fileInfo, _ := os.Stat(loader.filename)
    //檔案的修改時間比上次修改時間大，說明檔案有更新
    if fileInfo.ModTime().Unix() > loader.lastModifyTime {
        loader.lastModifyTime = fileInfo.ModTime().Unix()
        return true
    }
    return false
}

*Alloc() interface{} *

用於分配具體的變數，以供裝載檔案中的資料。這裡分配的變數最終會儲存到FileDoubleBuffer中的dataBuffer資料中。程式碼如下：

// 分配具體的變數，來承載檔案中的具體內容，變數結構體需要和檔案中的結構體保持一致
func (loader *LocalFileLoader) Alloc() interface{} {
    return &WeatherContainer{
        Weathers: make(map[string]*Weather),
    }
}

同樣需要一個初始化LocalFileLoader例項的函式：

//指定需要載入的檔案路徑path
func NewLocalFileLoader(path string) *LocalFileLoader {
    return &LocalFileLoader{
        filename: path,
    }
}

總結

這種方式一般適用於資料量較小、頻繁讀的場景。在文章開始的圖中我們可以看到，因為是伺服器往往是叢集，所以每臺機器上的檔案內容可能會有短暫的差異，所以該實現也不適用於對資料具有強一致要求的場景中。

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