Ehcache 缓存框架详解

梦里梦外; 2023-10-10 23:01 9阅读 0赞

### 一、Ehcache 简介 ###

Ehcache 是一个广泛使用的 Java 缓存框架，能够有效提升应用性能，并减少与后端数据库的交互次数。它采用了一系列高级缓存策略，包括内存缓存、磁盘缓存、分布式缓存等，并提供了丰富的 API 和工具类，可以方便地完成缓存的读写和管理。

Ehcache 主要有以下特点：

*  快速：Ehcache 采用了一系列高效的缓存策略，能够实现快速的数据访问和读写，从而提高应用程序的性能。
 *  可扩展：Ehcache 支持分布式缓存，可以方便地扩展到多台服务器上，从而提高系统的容错性和吞吐量。
 *  可靠性高：Ehcache 内置了多种缓存策略，支持数据持久化和恢复，同时还提供了完善的故障检测和纠正机制，从而保证了缓存数据的可靠性和稳定性。
 *  易于使用：Ehcache 提供了丰富的 API 和工具类，可以方便地完成缓存的读写和管理。同时，它还与多种框架和技术集成，如 Spring、Hibernate、MyBatis 等，使得用户可以更加便捷地使用 Ecache。

### 二、工作原理 ###

#### 1. 缓存写入 ####

当应用程序向 Ehcache 中写入数据时，Ehcache 会首先检查该数据是否已经存在于缓存中。如果数据已经存在于缓存中，则更新该数据；否则，将该数据写入缓存。以下是 Ehcache 缓存写入的详细流程。

1.  当应用程序请求写入一个数据项到 Ehcache 中时，这个数据项被传递给Ehcache API。
2.  Ehcache首先根据该数据项的键值对定位其对应的Cache对象。
3.  Ehcache根据配置中的缓存策略，比如是否应该在缓存中创建一个新的元素，以及新元素是否会淘汰老的元素。
4.  如果需要创建一个新缓存元素，则Ehcache创建一个新的元素并将其添加到Cache对象中。
5.  如果缓存中已经存在该元素，Ehcache会根据缓存策略对该元素进行更新或替换。
6.  Ehcache将更新后的Cache对象返回给应用程序。

#### 2. 缓存查找 ####

当应用程序需要查询缓存中的数据时，Ehcache 首先会检查该数据是否存在于缓存中。如果数据存在于缓存中，则直接返回缓存数据；否则，从数据库或其他资源获取数据，并将其存入缓存中。以下是 Ehcache 缓存查找的详细流程。

1.  当应用程序请求从 Ehcache 中读取一个数据项时，这个请求被传递给Ehcache API。
2.  Ehcache首先根据该数据项的键值对定位其对应的Cache对象。
3.  Ehcache检查该数据项是否已经存在于缓存中。
4.  如果数据项存在于缓存中，Ehcache可以直接将其返回给应用程序。
5.  如果数据项不存在于缓存中，Ehcache就需要从数据库或其他数据源（如文件、网络等）中获取数据。
6.  获取到数据后，Ehcache会将其添加到缓存中并返回给应用程序。

#### 3. 缓存过期和驱逐 ####

Ehcache 提供了多种缓存失效策略，例如基于时间的缓存失效、基于访问的缓存失效、基于大小的缓存失效等。当缓存数据过期或缓存空间不足时，Ehcache 会选择一部分缓存元素进行驱逐以腾出更多的内存空间。以下是 Ehcache 缓存过期和驱逐的详细流程。

1.  Ehcache会周期性地扫描缓存中的元素来标记那些已经过期的元素。
2.  Ehcache根据缓存策略（如基于时间、基于访问、基于大小等）判断哪些缓存元素应该被驱逐。
3.  驱逐过程通常是异步执行的，Ehcache会在后台线程上执行这个操作。

#### 4. 缓存持久化 ####

Ehcache 还提供了缓存持久化功能，它可以将缓存中的数据持久化到磁盘或者其他数据源。在应用程序重启或者缓存失效后，Ehcache 可以从持久化存储中恢复数据，从而保证数据的完整性和可靠性。以下是 Ehcache 缓存持久化的详细流程。

1.  Ehcache使用磁盘存储或数据库等持久化技术来存储缓存数据。
2.  当缓存中的数据更新时，Ehcache会自动将此数据持久化到持久化存储中。
3.  在应用程序重启或者缓存失效后，Ehcache会从持久化存储中读取缓存数据并重新加载到内存中。

### 三、Ehcache 的基本使用 ###

Spring Boot 中集成 Ehcache 缓存代码示例。

#### 1. 添加 Ehcache 依赖 ####

首先需要在项目的 `pom.xml` 文件中添加 Ehcache 缓存依赖，如下所示：

<dependency>
        <groupId>org.ehcache</groupId>
        <artifactId>ehcache</artifactId>
        <version>3.9.3</version>
    </dependency>

#### 2. 配置 Ehcache ####

在 `application.yml` 或 `application.properties` 配置文件中添加 Ehcache 的配置信息，例如：

spring:
      ehcache:
        config: classpath:ehcache.xml

在上述配置中，我们指定了 Ehcache 的配置文件为 `classpath:ehcache.xml`，这样 Spring Boot 在启动时会自动加载该配置文件。

接下来，需要在 `src/main/resources` 目录下添加 `ehcache.xml` 配置文件，并编写相应的 Ehcache 配置信息。例如，下面是一个简单的 Ehcache 配置文件：

<config xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
            xmlns="http://www.ehcache.org/v3"
            xsi:schemaLocation="http://www.ehcache.org/v3 http://www.ehcache.org/schema/ehcache-core-3.0.xsd">
    
      <cache alias="myCache">
        <key-type>java.lang.String</key-type>
        <value-type>java.lang.String</value-type>
        <expiry>
          <ttu value="10m"/>
        </expiry>
        <heap>100</heap>
      </cache>
    
    </config>

在上述配置中，我们定义了一个名为 `myCache` 的缓存，配置了键值类型、过期时间、最大存储数量等参数。

#### 3. 使用 Ehcache ####

在完成 Ehcache 的配置后，就可以在 Spring Boot 中使用 Ehcache 缓存了。Spring Boot 提供了 `@Cacheable`、`@CachePut`、`@CacheEvict` 等注解来简化缓存操作，同时也支持基于缓存管理器的编程方式。

###### 3.1 基于注解的缓存 ######

首先介绍一下基于注解的缓存。Spring Boot 中，可以通过 `@Cacheable`、`@CachePut` 和 `@CacheEvict` 注解来实现对缓存的读写和删除操作。

###### 3.1.1 `@Cacheable` 注解 ######

`@Cacheable` 注解用于指定方法的返回值可被缓存，同时也可以指定缓存的 key 和 cacheNames，例如：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @Cacheable(cacheNames = "myCache", key = "#userId")
        public User getUserById(String userId) {
        
            System.out.println("get user by id: " + userId);
            return new User(userId, "张三");
        }
    
    }

在上述代码中，我们使用 `@Cacheable` 注解将 `getUserById()` 方法返回值进行缓存，并指定了缓存的 key 为 `userId`，缓存名称为 `myCache`。

###### 3.1.2 `@CachePut` 注解 ######

`@CachePut` 注解用于更新缓存中的数据，例如：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @CachePut(cacheNames = "myCache", key = "#user.id")
        public User updateUser(User user) {
        
            System.out.println("update user: " + user);
            return user;
        }
    
    }

在上述代码中，我们使用 `@CachePut` 注解更新了缓存中键为 `user.id` 的缓存数据。

###### 3.1.3 `@CacheEvict` 注解 ######

`@CacheEvict` 注解用于清除缓存中的数据，例如：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @CacheEvict(cacheNames = "myCache", key = "#userId")
        public void deleteUserById(String userId) {
        
            System.out.println("delete user by id: " + userId);
        }
    
    }

在上述代码中，我们使用 `@CacheEvict` 注解清除了缓存中键为 `userId` 的缓存数据。

##### 3.2 基于缓存管理器的编程方式 #####

除了注解方式外，还可以基于缓存管理器的编程方式来实现对缓存的读写和删除操作。Spring Boot 中，可以使用 `CacheManager` 和 `Cache` 接口来实现缓存的管理和操作。

##### 3.2.1 注入缓存管理器 #####

使用基于缓存管理器的编程方式，首先需要注入使用的缓存管理器，例如：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @Autowired
        private CacheManager cacheManager;
    
    }

在上述代码中，我们注入了 `CacheManager` 类型的 `cacheManager` 实例。

##### 3.2.2 获取缓存实例 #####

获取缓存实例的方式也很简单，可以通过缓存管理器的 `getCache()` 方法获取：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @Autowired
        private CacheManager cacheManager;
    
        public User getUserById(String userId) {
        
            Cache cache = cacheManager.getCache("myCache");
            Element element = cache.get(userId);
            if (element != null) {
        
                System.out.println("get user by id from cache: " + userId);
                return (User) element.getObjectValue();
            }
            System.out.println("get user by id from db: " + userId);
            User user = new User(userId, "张三");
            cache.put(new Element(userId, user));
            return user;
        }
    
    }

在上述代码中，我们使用缓存管理器的 `getCache()` 方法获取名为 `myCache` 的缓存实例。然后，我们使用缓存实例的 `get()` 方法获取指定 key 对应的缓存元素，如果获取到了元素，则直接返回缓存数据；否则，从数据库中获取数据，并将其存入缓存中。

##### 3.2.3 缓存操作 #####

除了读取缓存数据外，我们还可以使用缓存实例的 `put()` 方法向缓存中添加数据，使用 `remove()` 方法删除缓存数据，例如：

@Service
    public class UserService {
        
    
        @Autowired
        private CacheManager cacheManager;
    
        public User updateUser(User user) {
        
            Cache cache = cacheManager.getCache("myCache");
            cache.put(new Element(user.getId(), user));
            return user;
        }
    
        public void deleteUserById(String userId) {
        
            Cache cache = cacheManager.getCache("myCache");
            cache.remove(userId);
        }
    
    }

在上述代码中，我们分别使用了缓存实例的 `put()` 和 `remove()` 方法对缓存数据进行了更新和清除操作。

### 四、 Ehcache 的高级用法 ###

#### 1. 缓存策略 ####

Ehcache 提供了多种缓存策略，可以根据实际需求选择合适的策略。其中，最常用的包括：

*  LRU（Least Recently Used）：移除最近最少使用的缓存项。
 *  LFU（Least Frequently Used）：移除最不经常使用的缓存项。
 *  FIFO（First In, First Out）：先进先出，即移除最早加入的缓存项。
 *  TTL（Time To Live）：根据缓存项的过期时间来判断是否要移除该项。
 *  随机替换：随机选择一项进行移除。

在 Ehcache 中，默认使用的是 LRU 策略。如果需要更改策略，可以在 `ehcache.xml` 配置文件中进行设置。

#### 2. 内存缓存和磁盘缓存 ####

Ehcache 支持将缓存数据同时存储在内存和磁盘上，并根据实际情况调整数据的存储位置。例如，可以将经常访问的缓存数据存储在内存中，而不常使用的数据则存储在磁盘上，从而达到提高缓存效率和降低成本的目的。

在 `ehcache.xml` 配置文件中，可以通过 `<heap>`、`<offheap>` 和 `<disk>` 标签来定义缓存存储的位置。例如，下面的配置将缓存数据存储在内存中，并限制最大存储数量为 100 个：

<cache alias="myCache">
      <key-type>java.lang.String</key-type>
      <value-type>java.lang.String</value-type>
      <heap>100</heap>
    </cache>

如果需要将部分缓存数据存储在磁盘上，可以添加如下配置：

<cache alias="myCache">
      <key-type>java.lang.String</key-type>
      <value-type>java.lang.String</value-type>
      <heap>10</heap> 
      <offheap>1MB</offheap> 
      <diskPersistent>true</diskPersistent> 
      <diskSpoolBufferSizeMB>30</diskSpoolBufferSizeMB> 
      <diskExpiryThreadIntervalSeconds>120</diskExpiryThreadIntervalSeconds> 
      <maxEntriesLocalDisk>1000</maxEntriesLocalDisk> 
    </cache>

#### 3. 分布式缓存 ####

Ehcache 提供了分布式缓存的支持，并可以通过 RMI、JMS、Spring 等方式进行实现。在分布式环境下，每个缓存节点都可以通过网络访问远程节点上的缓存数据，从而实现数据共享和分布式缓存的目的。

在 `ehcache.xml` 配置文件中，可以添加 `<cacheManagerPeerProviderFactory>` 和 `<cacheManagerPeerListenerFactory>` 标签来定义缓存节点的配置信息。例如，下面的配置定义了一个名为 `myCache` 的缓存，采用了 RMI 方式实现分布式缓存：

<cache-manager-peer-provider-factory class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerProviderFactory"
                                          properties="peerDiscovery=automatic,
                                                      multicastGroupAddress=230.0.0.1,
                                                      multicastGroupPort=4446,
                                                      timeToLive=32"/>
    
    <cache-manager-peer-listener-factory class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerListenerFactory"
                                          properties="port=40001,
                                                      socketTimeoutMillis=2000"/>
    
    <cache alias="myCache">
      <key-type>java.lang.String</key-type>
      <value-type>java.lang.String</value-type>
      <diskPersistent>true</diskPersistent>
      <diskSpoolBufferSizeMB>30</diskSpoolBufferSizeMB>
      <maxEntriesLocalDisk>1000</maxEntriesLocalDisk>
      <cacheEventListenerFactory class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheReplicatorFactory"
                                  properties="replicateAsynchronously=true,
                                              replicatePuts=true,
                                              replicateUpdates=true,
                                              replicateUpdatesViaCopy=false,
                                              replicateRemovals=true"/>
    </cache>

在上述配置中，我们首先定义了一个 RMI 的缓存管理器提供者工厂 `RMICacheManagerPeerProviderFactory` 和一个 RMI 的缓存管理器监听器工厂 `RMICacheManagerPeerListenerFactory`，并分别指定了自动发现、组播地址、端口等相关参数。

接着，我们定义了名为 `myCache` 缓存添加了一个 `cacheEventListenerFactory` 属性，用于定义缓存事件的处理方式，即使用 `RMICacheReplicatorFactory` 实现缓存数据的复制和同步。

需要注意的是，分布式缓存的配置和使用与单机缓存有所不同，同时也需要考虑到网络通信等问题，因此更加复杂和耗费资源。在选择是否需要使用分布式缓存时，需要权衡其带来的性能、复杂性和成本等因素。