详细介绍高性能Java缓存库Caffeine

1、介绍

在本文中，我们来看看Caffeine — 一个高性能的 Java 缓存库。

缓存和 Map 之间的一个根本区别在于缓存可以回收存储的 item。

回收策略为在指定时间删除哪些对象。此策略直接影响缓存的命中率 — 缓存库的一个重要特征。

Caffeine 因使用 Window TinyLfu 回收策略，提供了一个近乎最佳的命中率。

2、依赖

我们需要在 pom.xml 中添加 caffeine 依赖：

									<dependency>

									  <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>

									  <artifactId>caffeine</artifactId>

									  <version>2.5.5</version>

									</dependency>

您可以在Maven Central 上找到最新版本的 caffeine。

3、填充缓存

让我们来了解一下 Caffeine 的三种缓存填充策略：手动、同步加载和异步加载。

首先，我们为要缓存中存储的值类型写一个类：

									class DataObject {

									  private final String data;

									  private static int objectCounter = 0;

									  // standard constructors/getters

									  public static DataObject get(String data) {

									    objectCounter++;

									    return new DataObject(data);

									  }

									}

3.1、手动填充

在此策略中，我们手动将值放入缓存之后再检索。

让我们初始化缓存：

									Cache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)

									 .maximumSize(100)

									 .build();

现在，我们可以使用 getIfPresent 方法从缓存中获取一些值。如果缓存中不存在此值，则此方法将返回 null：

									String key = "A";

									DataObject dataObject = cache.getIfPresent(key);

									assertNull(dataObject);

我们可以使用 put 方法手动填充缓存：

									cache.put(key, dataObject);

									dataObject = cache.getIfPresent(key);

									assertNotNull(dataObject);

我们也可以使用 get 方法获取值，该方法将一个参数为 key 的 Function 作为参数传入。如果缓存中不存在该键，则该函数将用于提供回退值，该值在计算后插入缓存中：

									dataObject = cache

									 .get(key, k -> DataObject.get("Data for A"));

									assertNotNull(dataObject);

									assertEquals("Data for A", dataObject.getData());

get 方法可以原子方式执行计算。这意味着您只进行一次计算 — 即使多个线程同时请求该值。这就是为什么使用 get 优于 getIfPresent。

有时我们需要手动使一些缓存的值失效：

									cache.invalidate(key);

									dataObject = cache.getIfPresent(key);

									assertNull(dataObject);

3.2、同步加载

这种加载缓存的方法使用了与用于初始化值的 Function 相似的手动策略的 get 方法。让我们看看如何使用它。

首先，我们需要初始化缓存：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .maximumSize(100)

									 .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

现在我们可以使用 get 方法检索值：

									DataObject dataObject = cache.get(key);

									assertNotNull(dataObject);

									assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());

我们也可以使用 getAll 方法获取一组值：

									Map<String, DataObject> dataObjectMap 

									 = cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"));

									assertEquals(3, dataObjectMap.size());

从传递给 build 方法的底层后端初始化函数检索值。这使得可以使用缓存作为访问值的主要门面（Facade）。

3.3、异步加载

此策略的作用与之前相同，但是以异步方式执行操作，并返回一个包含值的 CompletableFuture：

									AsyncLoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .maximumSize(100)

									 .expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)

									 .buildAsync(k -> DataObject.get("Data for " + k));

我们可以以相同的方式使用 get 和 getAll 方法，同时考虑到他们返回的是 CompletableFuture：

									String key = "A";

									cache.get(key).thenAccept(dataObject -> {

									  assertNotNull(dataObject);

									  assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());

									});

									cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"))

									 .thenAccept(dataObjectMap -> assertEquals(3, dataObjectMap.size()));

CompletableFuture 有许多有用的 API，您可以在此文中获取更多内容。

4、值回收

Caffeine 有三个值回收策略：基于大小，基于时间和参考。

4.1、基于大小回收

这种回收方式假定当超过配置的缓存大小限制时会发生回收。获取大小有两种方法：缓存中计数对象，或获取权重。

让我们看看如何计算缓存中的对象。当缓存初始化时，其大小等于零：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .maximumSize(1)

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

									assertEquals(0, cache.estimatedSize());

当我们添加一个值时，大小明显增加：

									cache.get("A");

									assertEquals(1, cache.estimatedSize());

我们可以将第二个值添加到缓存中，这导致第一个值被删除：

									cache.get("B");

									cache.cleanUp();

									assertEquals(1, cache.estimatedSize());

值得一提的是，在获取缓存大小之前，我们调用了 cleanUp 方法。这是因为缓存回收被异步执行，这种方法有助于等待回收的完成。

我们还可以传递一个 weigher Function 来获取缓存的大小：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .maximumWeight(10)

									 .weigher((k,v) -> 5)

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

									assertEquals(0, cache.estimatedSize());

									cache.get("A");

									assertEquals(1, cache.estimatedSize());

									cache.get("B");

									assertEquals(2, cache.estimatedSize());

当 weight 超过 10 时，值将从缓存中删除：

									cache.get("C");

									cache.cleanUp();

									assertEquals(2, cache.estimatedSize());

4.2、基于时间回收

这种回收策略是基于条目的到期时间，有三种类型：

访问后到期 — 从上次读或写发生后，条目即过期。
写入后到期 — 从上次写入发生之后，条目即过期
自定义策略 — 到期时间由 Expiry 实现独自计算

让我们使用 expireAfterAccess 方法配置访问后过期策略：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES)

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

要配置写入后到期策略，我们使用 expireAfterWrite 方法：

									cache = Caffeine.newBuilder()

									 .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)

									 .weakKeys()

									 .weakValues()

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

要初始化自定义策略，我们需要实现 Expiry 接口：

									cache = Caffeine.newBuilder().expireAfter(new Expiry<String, DataObject>() {

									  @Override

									  public long expireAfterCreate(

									   String key, DataObject value, long currentTime) {

									    return value.getData().length() * 1000;

									  }

									  @Override

									  public long expireAfterUpdate(

									   String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {

									    return currentDuration;

									  }

									  @Override

									  public long expireAfterRead(

									   String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {

									    return currentDuration;

									  }

									}).build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

4.3、基于引用回收

我们可以将缓存配置为启用缓存键值的垃圾回收。为此，我们将 key 和 value 配置为弱引用，并且我们可以仅配置软引用以进行垃圾回收。

当没有任何对对象的强引用时，使用 WeakRefence 可以启用对象的垃圾收回收。SoftReference 允许对象根据 JVM 的全局最近最少使用（Least-Recently-Used）的策略进行垃圾回收。有关 Java 引用的更多详细信息，请参见此处。

我们应该使用 Caffeine.weakKeys()、Caffeine.weakValues() 和 Caffeine.softValues() 来启用每个选项：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)

									 .weakKeys()

									 .weakValues()

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

									cache = Caffeine.newBuilder()

									 .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)

									 .softValues()

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

5、刷新

可以将缓存配置为在定义的时间段后自动刷新条目。让我们看看如何使用 refreshAfterWrite 方法：

									Caffeine.newBuilder()

									 .refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

这里我们应该要明白 expireAfter 和 refreshAfter 之间的区别。当请求过期条目时，执行将发生阻塞，直到 build Function 计算出新值为止。

但是，如果条目可以刷新，则缓存将返回一个旧值，并异步重新加载该值。

6、统计

Caffeine 有一种记录缓存使用情况的统计方式：

									LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()

									 .maximumSize(100)

									 .recordStats()

									 .build(k -> DataObject.get("Data for " + k));

									cache.get("A");

									cache.get("A");

									assertEquals(1, cache.stats().hitCount());

									assertEquals(1, cache.stats().missCount());