MasaFramework -- 缓存入门与设计

概念

什么是缓存，在项目中，为了提高数据的读取速度，我们会对不经常变更但访问频繁的数据做缓存处理，我们常用的缓存有：

• 本地缓存
  • 内存缓存：IMemoryCache
• 分布式缓存
  • Redis: StackExchange.Redis

功能

目前，MasaFramework为我们提供了以下能力

• IDistributedCacheClient: 分布式缓存
  • Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis: 基于StackExchange.Redis实现的分布式缓存
• IMultilevelCacheClient: 多级缓存
  • Masa.Contrib.Caching.MultilevelCache: 基于内存缓存以及分布式缓存实现的多级缓存，支持监控缓存变更，分布式缓存更新后相应的内存缓存也会同步更新，避免命中过时的内存缓存导致获取错误的数据，同时也尽可能的将多个副本的内存缓存保持同步

入门

• 前提条件：安装.NET 6.0

分布式缓存

1. 新建ASP.NET Core 空项目Assignment.DistributedCache，并安装Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis

dotnet new web -o Assignment.DistributedCache
cd Assignment.DistributedCache

dotnet add package Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis --version 0.6.0-rc.5

1. 配置Redis配置信息

{
    "RedisConfig":{
        "Servers":[
            {
                "Host":"localhost",
                "Port":6379
            }
        ],
        "DefaultDatabase":3,
        "ConnectionPoolSize":10
    }
}

1. 注册分布式缓存，并使用Redis缓存，修改Program.cs

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

//注册分布式缓存
builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();//使用分布式Redis缓存, 默认使用本地`RedisConfig`下的配置
});

使用分布式缓存的数据来源默认为 IOptionsMonitor<RedisConfigurationOptions>，如果本地未正确在RedisConfig节点配置缓存信息，且项目中也没有通过其它方式配置使其支持选项模式，则默认使用的Redis配置为： 地址: localhost、端口：6379，密码：空，数据库：db0

1. 新建User类，用于接收用户信息

public class User
{
    public string Name { get; set; }

    public int Age { get; set; }
}

1. 如何使用IDistributedCacheClient，修改Program.cs

// 设置缓存
app.MapPost("/set/{id}", async (IDistributedCacheClient distributedCacheClient, [FromRoute] string id, [FromBody] User user) =>
{
    await distributedCacheClient.SetAsync(id, user);
    return Results.Accepted();
});

// 获取缓存
app.MapGet("/get/{id}", async (IDistributedCacheClient distributedCacheClient, [FromRoute] string id) =>
{
    var value = await distributedCacheClient.GetAsync<User>(id);
    return Results.Ok(value);
});

多级缓存

1. 新建ASP.NET Core 空项目Assignment.DistributedCache，并安装Masa.Contrib.Caching.MultilevelCache、Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis

dotnet new web -o Assignment.MultilevelCache
cd Assignment.MultilevelCache

dotnet add package Masa.Contrib.Caching.MultilevelCache --version 0.6.0-rc.5
dotnet add package Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis --version 0.6.0-rc.5

1. 注册多级缓存，并使用分布式Redis缓存，修改Program.cs

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

//注册多级缓存
builder.Services.AddMultilevelCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();//使用分布式Redis缓存
});

1. 新建User类，用于接收用户信息

public class User
{
    public string Name { get; set; }

    public int Age { get; set; }
}

1. 如何使用IMultilevelCacheClient，修改Program.cs

// 设置缓存
app.MapPost("/set/{id}", async (IMultilevelCacheClient multilevelCacheClient, [FromRoute] string id, [FromBody] User user) =>
{
    await multilevelCacheClient.SetAsync(id, user);
    return Results.Accepted();
});

// 获取缓存
app.MapGet("/get/{id}", async (IMultilevelCacheClient multilevelCacheClient, [FromRoute] string id) =>
{
    var value = await multilevelCacheClient.GetAsync<User>(id);
    return Results.Ok(value);
});

测试

借助Postman或者Swagger或者使用其它API测试工具，分别测试设置缓存与获取缓存，以验证分布式缓存以及多级缓存是可以正常使用的。

友情提示：检查Redis缓存，找到刚刚你配置的缓存，确定下它的存储结果是否与你想象的一致!!

规则

经过测试，我们的分布式缓存与多级缓存是可以正常使用的，但查看Redis的存储结果后，发现它们实际的存储与我们心目中的结果好像是有点出入，它们分别是：

1. 缓存Key不同 (与我们设置的Key不完全一致)
2. 结构不同 (实际存储的为Hash类型)
3. 内容不同 (内容经过压缩)

缓存Key的生成规则

缓存Key支持三种规则：

枚举	值	描述
None	1	不做处理，传入的Key即为实际的缓存Key
TypeName	2	实际的缓存Key = $"{GetTypeName(T)}.{传入缓存Key}" (默认)
TypeAlias	3	根据TypeName得到对应的别名与Key的组合，Format: ${TypeAliasName}{:}{key}

详细规则可查看

存储结构与规则

Masa.Contrib.Caching.Distributed.StackExchangeRedis使用的是Hash存储，通过使用Hash存储，支持缓存的绝对过期以及相对过期，其中：

键	描述	详细	特殊
absexp	绝对过期时间的Ticks	自公历 0001-01-01 00:00:00:000 到绝对过期时间的计时周期数 (1周期 = 100ns 即 1/10000 ms)	-1 为永不过期
sldexp	滑动过期时间的Ticks	自公历 0001-01-01 00:00:00:000 到滑动过期时间的计时周期数 (1周期 = 100ns 即 1/10000 ms，每次获取数据时会刷新滑动过期时间)	-1 为永不过期
data	数据	存储用户设置的缓存数据

内容压缩规则

1. 当存储值类型为以下类型时，不对数据进行压缩：

• Byte
• SByte
• UInt16
• UInt32
• UInt64
• Int16
• Int32
• Int64
• Double
• Single
• Decimal

1. 当存储值类型为字符串时，对数据进行压缩
2. 当存储值类型不满足以上条件时，对数据进行序列化并进行压缩

分布式Redis缓存示例

分布式缓存注册

方案一. 通过本地配置文件注册

1. 修改appsettings.json文件

{
    "RedisConfig":{
        "Servers":[
            {
                "Host":"localhost",
                "Port":6379
            }
        ],
        "DefaultDatabase":3,
        "ConnectionPoolSize":10
    }
}

1. 注册分布式Redis缓存

builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();
});

方案二. 手动指定Redis配置注册

builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache(options =>
    {
        options.Servers = new List<RedisServerOptions>()
        {
            new("localhost", 6379)
        };
        options.DefaultDatabase = 3;
        options.ConnectionPoolSize = 10;
        options.GlobalCacheOptions = new CacheOptions()
        {
            CacheKeyType = CacheKeyType.None //全局禁用缓存Key格式化处理
        };
    });
});

方案三. 通过选项模式注册

1. 通过Configure方法使其支持选项模式

builder.Services.Configure<RedisConfigurationOptions>(redisConfigurationOptions =>
{
    redisConfigurationOptions.Servers = new List<RedisServerOptions>()
    {
        new("localhost", 6379)
    };
    redisConfigurationOptions.DefaultDatabase = 3;
    redisConfigurationOptions.ConnectionPoolSize = 10;
    redisConfigurationOptions.GlobalCacheOptions = new CacheOptions()
    {
        CacheKeyType = CacheKeyType.None
    };
});

1. 注册分布式Redis缓存

builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();
});

方案四. 通过指定Configuration注册

1. 在Redis缓存的配置存储到本地appsettings.json文件

{
    "RedisConfig":{
        "Servers":[
            {
                "Host": "localhost",
                "Port": 6379
            }
        ],
        "DefaultDatabase": 3,
        "ConnectionPoolSize": 10
    }
}

1. 指定Configuration注册分布式Redis缓存

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

//注册分布式缓存
builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    // 使用存储Redis配置的Configuration
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache(builder.Configuration.GetSection("RedisConfig"));
});

方案五. 将配置存储到Dcc上，并通过Configuration提供的手动映射功能，实现选项模式

1. 使用Dcc，并手动指定映射

builder.AddMasaConfiguration(configurationBuilder =>
{
    configurationBuilder.UseDcc();//使用Dcc 扩展Configuration能力，支持远程配置

    configurationBuilder.UseMasaOptions(options =>
    {
        //通过手动映射RedisConfigurationOptions的配置，实现选项模式
        options.MappingConfigurationApi<RedisConfigurationOptions>("{替换为Dcc中配置所属的AppId}", "{替换为Redis配置的对象名称}");
    });
});

1. 注册分布式Redis缓存

builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();
});

方案三、四、五的本质都是通过支持选项模式来注册分布式Redis缓存

修改缓存Key映射规则

修改缓存Key映射规则十分简单，我们在配置时更改CacheKeyType为对应的规则即可，但当 CacheKeyType = 3 需要注意，它需要额外提供类型名与别名的对应关系，完整例子如下：

1. 修改appsettings.json, 将CacheKeyType的值改为 3

{
    "RedisConfig":{
        "Servers":[
            {
                "Host":"localhost",
                "Port":6379
            }
        ],
        "DefaultDatabase":3,
        "ConnectionPoolSize":10,
        "GlobalCacheOptions": {
          "CacheKeyType": 3 //CacheKeyType为3时启用别名格式化缓存Key，可节省缓存Key的键长度
        }
    }
}

1. 注册分布式缓存并配置类型名与别名的对应关系

builder.Services.AddDistributedCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();
}, typeAliasOptions =>
{
    typeAliasOptions.GetAllTypeAliasFunc = () => new Dictionary<string, string>()
    {
        { "String", "s" }//当类型为String时，格式化后的Key为 s:key
    };
});

通过指定类型与别名的对应关系，从而使得最终形成较短的缓存Key，以达到节省存储空间的目的，缓存Key生成规则可查看

多级缓存示例

多级缓存注册

方案一. 通过本地配置文件注册

1. 修改appsettings.json文件，分别配置多级缓存配置以及Redis缓存配置

{
  // 多级缓存全局配置，非必填
  "MultilevelCache": {
    "SubscribeKeyPrefix": "masa",//默认订阅方key前缀，用于拼接channel
    "SubscribeKeyType": 3, //默认订阅方key的类型，默认ValueTypeFullNameAndKey，用于拼接channel
    "CacheEntryOptions": {
      "AbsoluteExpirationRelativeToNow": "00:00:30",//绝对过期时长（距当前时间）
      "SlidingExpiration": "00:00:50"//滑动过期时长（距当前时间）
    }
  },

  // Redis分布式缓存配置
  "RedisConfig": {
    "Servers": [
      {
        "Host": "localhost",
        "Port": 6379
      }
    ],
    "DefaultDatabase": 3
  }
}

1. 添加多级缓存并使用分布式Redis缓存

builder.Services.AddMultilevelCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache();
});

方案二. 通过手动指定配置

builder.Services.AddMultilevelCache(distributedCacheOptions =>
{
    distributedCacheOptions.UseStackExchangeRedisCache(RedisConfigurationOptions);
});

未配置内存缓存时，默认内存缓存永久有效

除了上述两种方式以外，多级缓存的内存缓存配置也同样支持选项模式，我们可以通过Dcc或者利用 builder.Services.Configure<MultilevelCacheOptions>(builder.Configuration)来支持选项模式

修改缓存Key映射规则

源码解读

IDistributedCacheClient (分布式缓存客户端)

IDistributedCacheClient接口提供以下方法来处理分布式缓存

以下方法会根据全局缓存Key的规则配置以及传入缓存Key的规则配置，检测是否需要格式化缓存Key，对需要格式化Key的操作按照缓存Key格式化规则进行处理，详细查看:

• Get<T>、GetAsync<T>: 根据缓存Key返回类型为T的结果 (如果缓存不存在，则返回Null)
• GetList<T>、GetListAsync<T>: 根据缓存Key集合返回对应的缓存值的集合 (针对不存在的缓存key，其值返回Null)
• GetOrSet<T>、GetOrSetAsync<T>: 如果在缓存中找到，则返回类型为T的结果，如果缓存未找到，则执行Setter，并返回Setter的结果
• Set<T>、SetAsync<T>: 将指定的缓存Key以及缓存值添加到缓存
• SetList<T>、SetListAsync<T>: 将指定的缓存Key、Value集合添加缓存
• Remove<T>、RemoveAsync<T>: 将指定的缓存Key (缓存Key集合) 从缓存中移除
• Refresh<T>、RefreshAsync<T>: 刷新指定的缓存Key (缓存Key集合) 的生命周期
  • 适用于未被删除、绝对过期时间没有到，但相对过期时间快到的缓存 (延长滑动过期时间)
• Exists<T>、ExistsAsync<T>: 如果在缓存中找到，则返回true，否则返回false
• GetKeys<T>、GetKeysAsync<T>: 根据key pattern 得到符合规则的所有缓存Key
• GetByKeyPattern<T>、GetByKeyPatternAsync<T>: 根据key pattern 得到符合规则的所有缓存Key、Value集合
• HashIncrementAsync: 将指定的缓存Key的值增加Value，并返回增长后的结果
• HashDecrementAsync: 将指定的缓存Key的值减少Value，并返回减少后的结果
  • 支持设置最小的Value，避免减少后的值低于设置的最小值，执行失败则返回: -1
• KeyExpire<T>、KeyExpireAsync<T>: 设置缓存Key的生命周期

以下方法不执行缓存Key格式化, 应传入缓存完整Key:

• Remove、RemoveAsync: 将指定的缓存Key (缓存Key集合) 从缓存中移除
• Refresh、RefreshAsync: 刷新指定的缓存Key (缓存Key集合) 的生命周期
  • 适用于未被删除、绝对过期时间没有到，但相对过期时间快到的缓存
• Exists、ExistsAsync: 如果在缓存中找到，则返回true，否则返回false
• GetKeys、GetKeysAsync: 根据key pattern 得到符合规则的所有缓存Key
  • 例: 传入User*，可得到缓存中以User开头的所有缓存Key
• KeyExpire、KeyExpireAsync: 设置缓存Key的生命周期

IMultilevelCacheClient (多级缓存客户端)

• Get<T>、GetAsync<T>: 根据缓存Key返回类型为T的结果 (如果缓存不存在，则返回Null) (支持监控缓存变更)
• GetList<T>、GetListAsync<T>: 根据缓存Key集合返回对应的缓存值的集合 (针对不存在的缓存key，其值返回Null)
• GetOrSet<T>、GetOrSetAsync<T>: 如果在缓存中找到，则返回类型为T的结果，如果缓存未找到，则执行Setter，并返回Setter的结果
• Set<T>、SetAsync<T>: 将指定的缓存Key以及缓存值添加到缓存
• SetList<T>、SetListAsync<T>: 将指定的缓存Key、Value集合添加缓存
• Remove<T>、RemoveAsync<T>: 将指定的缓存Key (缓存Key集合) 从缓存中移除
• Refresh<T>、RefreshAsync<T>: 刷新指定的缓存Key (缓存Key集合) 的生命周期
  • 适用于未被删除、绝对过期时间没有到，但相对过期时间快到的缓存 (延长滑动过期时间)

IDistributedCacheClientFactory (分布式缓存工厂)

• Create: 返回指定Name的分布式缓存客户端

IMultilevelCacheClientFactory (多级缓存工厂)

• Create: 返回指定Name的多级缓存客户端

如果Name为空字符串时，可直接使用IDistributedCacheClient或IMultilevelCacheClient, 默认注册不指定Name时，则其Name为空字符串，可不通过Factory创建

总结

Masa Framework提供了分布式缓存以及多级缓存的实现，其中有几个优秀的功能：

• 多级缓存提供了缓存更新后同步更新内存缓存功能
  • 当我们的服务是多副本时，不必担心会缓存更新后其它副本由于内存缓存未过期，导致获取到过期的缓存数据，大大提升我们的用户体验
• 支持滑动过期以及绝对过期混合使用
  • 避免无用的缓存长时间被持久化，但对于热点数据又可以避免打到Redis或者数据库
• 配置支持热更新，配置更新后同步生效，无需重启项目
• 缓存Key支持格式化，可根据当前缓存值类型与传入缓存Key结合形成新的缓存Key，提高了开发效率以及代码可读性
  • 比如获取用户id为1的数据，可通过Client.Get<User>("1")，而无需：Client.Get<User>("User.1")

本章源码

Assignment16

https://github.com/zhenlei520/MasaFramework.Practice

开源地址

MASA.Framework：https://github.com/masastack/MASA.Framework

MASA.EShop：https://github.com/masalabs/MASA.EShop

MASA.Blazor：https://github.com/BlazorComponent/MASA.Blazor

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