分布式系统缓存系列之guava cache

  guava是google的一个开源java框架，其github地址是 https://github.com/google/guava。guava工程包含了若干被Google的 Java项目广泛依赖的核心库，例如：集合 [collections] 、缓存 [caching] 、原生类型支持 [primitives support] 、并发库 [concurrency libraries] 、通用注解 [common annotations] 、字符串处理 [string processing] 、I/O 等等。 所有这些工具每天都在被Google的工程师应用在产品服务中。 其中caching这一块是我常用的模块的之一，今天就来分享一下我对guava cache的一些见解。

   guava cache使用简介

     guava cache 是利用CacheBuilder类用builder模式构造出两种不同的cache加载方式CacheLoader,Callable，共同逻辑都是根据key是加载value。不同的地方在于CacheLoader的定义比较宽泛，是针对整个cache定义的，可以认为是统一的根据key值load value的方法，而Callable的方式较为灵活，允许你在get的时候指定load方法。看以下代码

Cache<String,Object> cache = CacheBuilder.newBuilder()
                .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS).maximumSize(500).build();

         cache.get("key", new Callable<Object>() { //Callable 加载
            @Override
            public Object call() throws Exception {
                return "value";
            }
        });

        LoadingCache<String, Object> loadingCache = CacheBuilder.newBuilder()
                .expireAfterAccess(30, TimeUnit.SECONDS).maximumSize(5)
                .build(new CacheLoader<String, Object>() {
                    @Override
                    public Object load(String key) throws Exception {
                        return "value";
                    }
                });

　   这里面有几个参数expireAfterWrite、expireAfterAccess、maximumSize其实这几个定义的都是过期策略。expireAfterWrite适用于一段时间cache可能会发先变化场景。expireAfterAccess是包括expireAfterWrite在内的，因为read和write操作都被定义的access操作。另外expireAfterAccess，expireAfterAccess都是受到maximumSize的限制。当缓存的数量超过了maximumSize时,guava cache会要据LRU算法淘汰掉最近没有写入或访问的数据。这里的maximumSize指的是缓存的个数并不是缓存占据内存的大小。 如果想限制缓存占据内存的大小可以配置maximumWeight参数。

      看代码：

  CacheBuilder.newBuilder().weigher(new Weigher<String, Object>() {

              @Override
              public int weigh(String key, Object value) {
                  return 0;  //the value.size()
              }
          }).expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS).maximumWeight(500).build();

　  weigher返回每个cache value占据内存的大小，这个大小是由使用者自身定义的，并且put进内存时就已经确定后面就再不会发生变动。maximumWeight定义了所有cache value加起的weigher的总和不能超过的上限。

    注意一点就是maximumWeight与maximumSize两者只能生效一个是不能同时使用的！

   guava cache的设计

guava cache作为一个被广泛使用的缓存组件，设计上它有哪些过人之处？

    先看下cache的类实现定义

class LocalCache<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements ConcurrentMap<K, V> {....}　

    我们看到了ConcurrentMap,所以我们知道了一点guava cache基于ConcurrentHashMap的基础上设计。所以ConcurrentHashMap的优点它也具备。既然实现了      ConcurrentMap那再看下guava cache中的Segment的实现是怎样？

 我们看到guava cache 中的Segment本质是一个ReentrantLock。内部定义了table,wirteQueue,accessQueue定义属性。其中table是一个ReferenceEntry原子类数组，里面就存放了cache的内容。wirteQueue存放的是对table的写记录，accessQueue是访问记录。guava cache的expireAfterWrite,expireAfterAccess就是借助这个两个queue来实现的。

  了解了guava cache的大概存储结构，下面看通过对cache的操作来进行更深入的了解。

   put(key,val)操作。

  public V put(K key, V value) {
    checkNotNull(key);
    checkNotNull(value);
    int hash = hash(key);
    return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);
  }

　　设置缓存大概的过程：根据key 哈希到对应的segment,然后对segment加锁lock(),然后获取segment.table对应的结点

int index = hash & (table.length() - 1);
ReferenceEntry<K, V> first = table.get(index);

　　之后入队的过程和hashMap的入队过程类似。入队完之后还会进行相关操作比如更新accessQueue和wiriteQueue，累加totalWeight

 void recordWrite(ReferenceEntry<K, V> entry, int weight, long now) {
      // we are already under lock, so drain the recency queue immediately
      drainRecencyQueue();
      totalWeight += weight;

      if (map.recordsAccess()) {
        entry.setAccessTime(now);
      }
      if (map.recordsWrite()) {
        entry.setWriteTime(now);
      }
      accessQueue.add(entry);
      writeQueue.add(entry);
    }

　　get(key)操作 。

     第一步也是先定位到所在segment

V get(K key, CacheLoader<? super K, V> loader) throws ExecutionException {
    int hash = hash(checkNotNull(key));
    return segmentFor(hash).get(key, hash, loader);
  }

   判断key对应的ReferenceEntry存在

  ReferenceEntry<K, V> e = getEntry(key, hash);
          if (e != null) {
            long now = map.ticker.read();
            V value = getLiveValue(e, now);
            if (value != null) {
              recordRead(e, now);
              statsCounter.recordHits(1);
              return scheduleRefresh(e, key, hash, value, now, loader);
            }
            ValueReference<K, V> valueReference = e.getValueReference();
            if (valueReference.isLoading()) {
              return waitForLoadingValue(e, key, valueReference);
            }
          

getLiveValue(e, now)如果返回了null就表示当前cache已经过期了，不为null时recordRead(e, now)记录最新访问时间为now，然后统计命中率。scheduleRefresh(e, key, hash, value, now, loader)相当于一个双重检查，再次检查cache需不需要刷新，如果需要刷新看不看不能马上拿到新值。
如果可以返回新值，否直接拿原值返回。
这时注意valueReference.isLoading()为true的时候就表示有其它线程正在更新该cache,其它所有线程都要wait到这个线程loading完
才能返回。

   key对应的ReferenceEntry不存在：缓存没有加载进来或者已经被remove掉。

      return lockedGetOrLoad(key, hash, loader);

　　lockedGetOrLoad执行逻辑是先加锁lock(),判断当前是否有其它线程在loading该cache，如果有等待其加载完毕然后返回。否自己执行loader把值设进cache中然后返回。   

try {
          // Synchronizes on the entry to allow failing fast when a recursive load is
          // detected. This may be circumvented when an entry is copied, but will fail fast most
          // of the time.
          synchronized (e) {
            return loadSync(key, hash, loadingValueReference, loader);
          }
        } finally {
          statsCounter.recordMisses(1);
        }

　　

    guava cache的淘汰策略

     guava cache总体来说有四种淘汰策略。

     1、size-based 基本于使用量。

      当缓存个数超过CacheBuilder.maximumSize(long)设置的值时，优先淘汰最近没有使用或者不常用的元素。同理CacheBuilder.maximumWeight(long)也是一样逻辑。


     2、timed eviction 基于时间驱逐。

       expireAfterAccess(long, TimeUnit)仅在指定上一次读/更新操作过了指定持续时间之后才考虑淘汰，淘汰逻辑与size-based是类似的。优先淘汰最近没有使用或者不常用的元素

     expireAfterWrite(long, TimeUnit) 仅在指定上一次写/更新操作过了指定持续时间之后才考虑淘汰，淘汰逻辑与size-based是类似的。优先淘汰最近没有使用或者不常用的元素

    3、Reference-based Eviction 基本于引用驱逐

        在JDK1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Refernce)、虚引用(Phantom Reference)。四种引用强度依次减弱。这四种引用除了强引用(Strong Reference)之外，其它的引用所对应的对象来JVM进行GC时都是可以确保被回收的。所以通过使用弱引用的键、或弱引用的值、或软引用的值，Guava Cache可以把缓存设置为允许垃圾回收：

• CacheBuilder.weakKeys()：使用弱引用存储键。当键没有其它（强或软）引用时，缓存项可以被垃圾回收。因为垃圾回收仅依赖恒等式（==），使用弱引用键的缓存用==而不是equals比较键。
• CacheBuilder.weakValues()：使用弱引用存储值。当值没有其它（强或软）引用时，缓存项可以被垃圾回收。因为垃圾回收仅依赖恒等式（==），使用弱引用值的缓存用==而不是equals比较值。
• CacheBuilder.softValues()：使用软引用存储值。软引用只有在响应内存需要时，才按照全局最近最少使用的顺序回收。考虑到使用软引用的性能影响，我们通常建议使用更有性能预测性的缓存大小限定（使用软引用值的缓存同样用==而不是equals比较值）

        这样的好处就是当内存资源紧张时可以释放掉到缓存的内存。注意！CacheBuilder如果没有指明默认是强引用的，GC时如果没有元素到达指定的过期时间，内存是不能被回收的。

   4、显示删除

   任何时候，你都可以显式地清除缓存项，而不是等到它被回收：

• 个别清除：Cache.invalidate(key)
• 批量清除：Cache.invalidateAll(keys)
• 清除所有缓存项：Cache.invalidateAll()

       提一下guava cache 是怎么触发元素回收的。guava的元素回收与其它的一些框架不一样比如redis，redis是起额外的线程去回收元素。而guava是进行get,put操作的时候顺便把元素回收的。这样比一般的缓存另起线程监控清理相比，可以减少开销，但如果长时间没有调用方法的话，会导致不能及时的清理释放内存空间的问题。回收时主要处理四个Queue：1. keyReferenceQueue；2. valueReferenceQueue；3. writeQueue；4. accessQueue。前两个queue是因为WeakReference、SoftReference被垃圾回收时加入的，清理时只需要遍历整个queue，将对应的项从LocalCache中移除即可，这里keyReferenceQueue存放ReferenceEntry，而valueReferenceQueue存放的是ValueReference。而对后面两个Queue，只需要检查是否配置了相应的expire时间，然后从头开始查找已经expire的Entry，将它们移除即可。

     总的来说，guava cache基于ConcurrentHashMap的优秀设计借鉴，在高并发场景支持线程安全，使用Reference引用命令，保证了GC的可回收到相应的数据，有效节省空间；同时write链和access链的设计，能更灵活、高效的实现多种类型的缓存清理策略，包括基于容量的清理、基于时间的清理、基于引用的清理等；