【go语言开发】本地缓存的使用，从简单到复杂写一个本地缓存，并对比常用的开源库

浅浅的花香味﹌ 2024-05-24 02:10 41阅读 0赞

> 本文主要介绍go语言中本地缓存的使用，首先由简单到复杂手写3个本地缓存示例，使用内置的sync，map等数据结构封装cache，然后介绍常见的一些开源库，以及对比常用的开源库

#### 文章目录 ####

*  前言
 *  手写本地缓存
 *   *  CacheNormal
     *  CacheEx
     *  CacheV3
 *  开源库
 *   *  cache2go
     *  go-cache
     *  bigcache
     *  groupcache
     *  本地缓存对比

## 前言 ##

**本地缓存**是指将一部分数据存储在应用程序本地内存中，以提高数据访问速度和应用程序性能的技术。  
使用本地缓存的优势：

*  提高应用程序性能
 *  减少网络延迟
 *  改善用户体验
 *  降低外部存储系统的负荷

下面我们从简单到复杂写本地缓存

## 手写本地缓存 ##

### CacheNormal ###

在 Go 中，你可以使用内置的 sync 包和 map 数据结构来实现本地缓存。

我们首先定义了一个名为 Cache 的结构体，其中包含一个 data 字段，它是一个 `map[string]interface{}`类型的数据结构，用于存储键值对。我们使用 `sync.RWMutex` 来保证并发安全性。

然后，我们定义了 Set 方法和 Get 方法，用于设置和获取缓存值。在 Set 方法中，我们使用互斥锁 mu 来保证并发安全。在 Get 方法中，我们使用读写锁 mu 的读锁来实现并发读取。

package cache
    
    import (
    	"sync"
    )
    
    type CacheNormal struct {
        
    	data map[string]interface{
        }
    	mu   sync.RWMutex
    }
    
    func NewCache() *CacheNormal {
        
    	return &CacheNormal{
        
    		data: make(map[string]interface{
        }),
    	}
    }
    
    func (c *CacheNormal) Set(key string, value interface{
        }) {
        
    	c.mu.Lock()
    	defer c.mu.Unlock()
    	c.data[key] = value
    }
    
    func (c *CacheNormal) Get(key string) (interface{
        }, bool) {
        
    	c.mu.RLock()
    	defer c.mu.RUnlock()
    	value, ok := c.data[key]
    	return value, ok
    }

代码测试：

package cache
    
    import (
    	"fmt"
    	"testing"
    	"time"
    )
    
    func TestCacheNorm(t *testing.T) {
        
    	cache := NewCache()
    
    	// 设置缓存值
    	cache.Set("key1", "value1")
    	cache.Set("key2", "value2")
    
    	// 读取缓存值
    	value1, ok1 := cache.Get("key1")
    	fmt.Println("Key1:", value1, ok1)
    
    	value2, ok2 := cache.Get("key2")
    	fmt.Println("Key2:", value2, ok2)
    
    	// 等待一段时间
    	time.Sleep(5 * time.Second)
    
    	// 再次读取缓存值
    	value1, ok1 = cache.Get("key1")
    	fmt.Println("Key1:", value1, ok1)
    
    	value2, ok2 = cache.Get("key2")
    	fmt.Println("Key2:", value2, ok2)
    }

结果展示：  
![在这里插入图片描述][8dcdbd32957e40ddb5dd27c40fbfe28f.png]  
下面我们实现一个带有过期时间的本地缓存。

### CacheEx ###

要实现带有过期时间的本地缓存，可以使用 Go 的 sync 包和 map 数据结构结合定时器（time.Timer）来实现。

我们定义了一个名为 CacheEx 的结构体，其中包含了一个用于存储缓存项的 data 字段，并且还有一个用于接收过期键的通道 expireCh。

通过调用 NewCacheEx 函数创建一个新的缓存对象，该函数会启动一个协程 startCleanup 来定期清理过期的缓存项。

使用 Set 方法来设置缓存值，并指定缓存项的过期时间。在这个方法中，我们使用互斥锁来保证并发安全性，并将缓存项的过期时间和值存储在 data 中。同时，我们还使用 scheduleExpiration 方法来安排过期时的清理操作。

使用 Get 方法来获取缓存值。在这个方法中，我们使用读锁来进行并发读取，并检查缓存项是否过期。如果缓存项存在且未过期，则返回对应的值；否则返回空值。

package cache
    
    import (
    	"sync"
    	"time"
    )
    
    type CacheEx struct {
        
    	data     map[string]cacheItem
    	mu       sync.RWMutex
    	expireCh chan string
    }
    
    type cacheItem struct {
        
    	value      interface{
        }
    	expiration time.Time
    }
    
    func NewCacheEx() *CacheEx {
        
    	c := &CacheEx{
        
    		data:     make(map[string]cacheItem),
    		expireCh: make(chan string),
    	}
    	go c.startCleanup()
    	return c
    }
    
    func (c *CacheEx) Set(key string, value interface{
        }, expiration time.Duration) {
        
    	c.mu.Lock()
    	defer c.mu.Unlock()
    
    	expireTime := time.Now().Add(expiration)
    	c.data[key] = cacheItem{
        
    		value:      value,
    		expiration: expireTime,
    	}
    	go c.scheduleExpiration(key, expireTime)
    }
    
    func (c *CacheEx) Get(key string) (interface{
        }, bool) {
        
    	c.mu.RLock()
    	defer c.mu.RUnlock()
    
    	item, ok := c.data[key]
    	if ok && item.expiration.After(time.Now()) {
        
    		return item.value, true
    	}
    	return nil, false
    }
    
    func (c *CacheEx) Delete(key string) {
        
    	c.mu.Lock()
    	defer c.mu.Unlock()
    	delete(c.data, key)
    }
    
    func (c *CacheEx) startCleanup() {
        
    	for {
        
    		key := <-c.expireCh
    		c.Delete(key)
    	}
    }
    
    func (c *CacheEx) scheduleExpiration(key string, expireTime time.Time) {
        
    	duration := time.Until(expireTime)
    	timer := time.NewTimer(duration)
    	<-timer.C
    	c.expireCh <- key
    }

代码测试：

func TestCacheExpireTime(t *testing.T) {
        
    	cache := NewCacheEx()
    
    	// 设置缓存值，带有过期时间
    	cache.Set("key1", "value1", 2*time.Second)
    	cache.Set("key2", "value2", 5*time.Second)
    
    	// 读取缓存值
    	value1, ok1 := cache.Get("key1")
    	fmt.Println("Key1:", value1, ok1)
    
    	value2, ok2 := cache.Get("key2")
    	fmt.Println("Key2:", value2, ok2)
    
    	// 等待一段时间
    	time.Sleep(3 * time.Second)
    
    	// 再次读取缓存值
    	value1, ok1 = cache.Get("key1")
    	fmt.Println("Key1:", value1, ok1)
    
    	value2, ok2 = cache.Get("key2")
    	fmt.Println("Key2:", value2, ok2)
    }

结果展示：  
![在这里插入图片描述][2284a3e348104ff89cd8945cf3291ba6.png]

### CacheV3 ###

package cache
    
    import (
    	"sync"
    	"time"
    )
    
    type item struct {
        
    	value      interface{
        }
    	expiration int64
    }
    
    type CacheV3 struct {
        
    	items       sync.Map
    	lock        sync.RWMutex
    	defaultTTL  time.Duration
    	maxCapacity int
    	evictList   []interface{
        }
    }
    
    func NewCacheV3(defaultTTL time.Duration, maxCapacity int) *CacheV3 {
        
    	return &CacheV3{
        
    		defaultTTL:  defaultTTL,
    		maxCapacity: maxCapacity,
    		evictList:   make([]interface{
        }, 0, maxCapacity),
    	}
    }
    
    func (c *CacheV3) Set(key string, value interface{
        }, ttl time.Duration) {
        
    	c.lock.Lock()
    	defer c.lock.Unlock()
    
    	if c.cacheSize() >= c.maxCapacity {
        
    		c.evict(1)
    	}
    
    	if ttl == 0 {
        
    		ttl = c.defaultTTL
    	}
    	expiration := time.Now().Add(ttl).UnixNano()
    	c.items.Store(key, &item{
        value, expiration})
    
    	time.AfterFunc(ttl, func() {
        
    		c.lock.Lock()
    		defer c.lock.Unlock()
    
    		if _, found := c.items.Load(key); found {
        
    			c.items.Delete(key)
    			c.evictList = append(c.evictList, key)
    		}
    	})
    }
    
    func (c *CacheV3) Get(key string) (interface{
        }, bool) {
        
    	c.lock.RLock()
    	defer c.lock.RUnlock()
    
    	if val, found := c.items.Load(key); found {
        
    		item := val.(*item)
    		if item.expiration > 0 && time.Now().UnixNano() > item.expiration {
        
    			c.items.Delete(key)
    			return nil, false
    		}
    		return item.value, true
    	}
    
    	return nil, false
    }
    
    func (c *CacheV3) evict(count int) {
        
    	for i := 0; i < count; i++ {
        
    		key := c.evictList[0]
    		c.evictList = c.evictList[1:]
    		c.items.Delete(key)
    	}
    }
    
    func (c *CacheV3) cacheSize() int {
        
    	size := 0
    	c.items.Range(func(_, _ interface{
        }) bool {
        
    		size++
    		return true
    	})
    	return size
    }

代码测试：

func TestCacheV3(t *testing.T) {
        
    	c := NewCacheV3(time.Minute, 100)
    
    	c.Set("key1", "value1", time.Second*30)
    	c.Set("key2", "value2", time.Minute)
    
    	val, found := c.Get("key1")
    	if found {
        
    		fmt.Println(val)
    	}
    
    	time.Sleep(time.Second * 45)
    
    	val, found = c.Get("key1")
    	if found {
        
    		fmt.Println(val)
    	}
    
    	time.Sleep(time.Second * 30)
    
    	val, found = c.Get("key1")
    	if found {
        
    		fmt.Println(val)
    	} else {
        
    		fmt.Println("key1 expired")
    	}
    }

结果展示：  
![在这里插入图片描述][bb76a1c985d14024b6b75f99bfe03858.png]

## 开源库 ##

### cache2go ###

最新代码请参考：https://github.com/muesli/cache2go  
以下代码仅供参考

type Item struct {
        
    	//read write lock
    	sync.RWMutex
    	key  interface{
        }
    	data interface{
        }
    	// cache duration.
    	duration time.Duration
    	// create time
    	createTime time.Time
    	//last access time
    	accessTime time.Time
    	//visit times
    	count int64
    	// callback after deleting
    	deleteCallback func(key interface{
        })
    }
    
    //create item.
    func NewItem(key interface{
        }, duration time.Duration, data interface{
        }) *Item {
        
    	t := time.Now()
    	return &Item{
        
    		key:            key,
    		duration:       duration,
    		createTime:     t,
    		accessTime:     t,
    		count:          0,
    		deleteCallback: nil,
    		data:           data,
    	}
    }
    
    //keep alive
    func (item *Item) KeepAlive() {
        
    	item.Lock()
    	defer item.Unlock()
    	item.accessTime = time.Now()
    	item.count++
    }
    
    func (item *Item) Duration() time.Duration {
        
    	return item.duration
    }
    
    func (item *Item) AccessTime() time.Time {
        
    	item.RLock()
    	defer item.RUnlock()
    	return item.accessTime
    }
    
    func (item *Item) CreateTime() time.Time {
        
    	return item.createTime
    }
    
    func (item *Item) Count() int64 {
        
    	item.RLock()
    	defer item.RUnlock()
    	return item.count
    }
    
    func (item *Item) Key() interface{
        } {
        
    	return item.key
    }
    
    func (item *Item) Data() interface{
        } {
        
    	return item.data
    }
    
    func (item *Item) SetDeleteCallback(f func(interface{
        })) {
        
    	item.Lock()
    	defer item.Unlock()
    	item.deleteCallback = f
    }
    
    // table for managing cache items
    type Table struct {
        
    	sync.RWMutex
    
    	//all cache items
    	items map[interface{
        }]*Item
    	// trigger cleanup
    	cleanupTimer *time.Timer
    	// cleanup interval
    	cleanupInterval time.Duration
    	loadData        func(key interface{
        }, args ...interface{
        }) *Item
    	// callback after adding.
    	addedCallback func(item *Item)
    	// callback after deleting
    	deleteCallback func(item *Item)
    }
    
    func (table *Table) Count() int {
        
    	table.RLock()
    	defer table.RUnlock()
    	return len(table.items)
    }
    
    func (table *Table) Foreach(trans func(key interface{
        }, item *Item)) {
        
    	table.RLock()
    	defer table.RUnlock()
    
    	for k, v := range table.items {
        
    		trans(k, v)
    	}
    }
    
    func (table *Table) SetDataLoader(f func(interface{
        }, ...interface{
        }) *Item) {
        
    	table.Lock()
    	defer table.Unlock()
    	table.loadData = f
    }
    
    func (table *Table) SetAddedCallback(f func(*Item)) {
        
    	table.Lock()
    	defer table.Unlock()
    	table.addedCallback = f
    }
    
    func (table *Table) SetDeleteCallback(f func(*Item)) {
        
    	table.Lock()
    	defer table.Unlock()
    	table.deleteCallback = f
    }
    
    func (table *Table) RunWithRecovery(f func()) {
        
    	defer func() {
        
    		if err := recover(); err != nil {
        
    			fmt.Printf("occur error %v \r\n", err)
    		}
    	}()
    
    	f()
    }
    
    func (table *Table) checkExpire() {
        
    	table.Lock()
    	if table.cleanupTimer != nil {
        
    		table.cleanupTimer.Stop()
    	}
    	if table.cleanupInterval > 0 {
        
    		table.log("Expiration check triggered after %v for table", table.cleanupInterval)
    	} else {
        
    		table.log("Expiration check installed for table")
    	}
    
    	// in order to not take the lock. use temp items.
    	items := table.items
    	table.Unlock()
    
    	//in order to make timer more precise, update now every loop.
    	now := time.Now()
    	smallestDuration := 0 * time.Second
    	for key, item := range items {
        
    		//take out our things, in order not to take the lock.
    		item.RLock()
    		duration := item.duration
    		accessTime := item.accessTime
    		item.RUnlock()
    
    		// 0 means valid.
    		if duration == 0 {
        
    			continue
    		}
    		if now.Sub(accessTime) >= duration {
        
    			//cache item expired.
    			_, e := table.Delete(key)
    			if e != nil {
        
    				table.log("occur error while deleting %v", e.Error())
    			}
    		} else {
        
    			//find the most possible expire item.
    			if smallestDuration == 0 || duration-now.Sub(accessTime) < smallestDuration {
        
    				smallestDuration = duration - now.Sub(accessTime)
    			}
    		}
    	}
    
    	//trigger next clean
    	table.Lock()
    	table.cleanupInterval = smallestDuration
    	if smallestDuration > 0 {
        
    		table.cleanupTimer = time.AfterFunc(smallestDuration, func() {
        
    			go table.RunWithRecovery(table.checkExpire)
    		})
    	}
    	table.Unlock()
    }
    
    // add item
    func (table *Table) Add(key interface{
        }, duration time.Duration, data interface{
        }) *Item {
        
    	item := NewItem(key, duration, data)
    
    	table.Lock()
    	table.log("Adding item with key %v and lifespan of %d to table", key, duration)
    	table.items[key] = item
    
    	expDur := table.cleanupInterval
    	addedItem := table.addedCallback
    	table.Unlock()
    
    	if addedItem != nil {
        
    		addedItem(item)
    	}
    
    	//find the most possible expire item.
    	if duration > 0 && (expDur == 0 || duration < expDur) {
        
    		table.checkExpire()
    	}
    
    	return item
    }
    
    func (table *Table) Delete(key interface{
        }) (*Item, error) {
        
    	table.RLock()
    	r, ok := table.items[key]
    	if !ok {
        
    		table.RUnlock()
    		return nil, errors.New(fmt.Sprintf("no item with key %s", key))
    	}
    
    	deleteCallback := table.deleteCallback
    	table.RUnlock()
    
    	if deleteCallback != nil {
        
    		deleteCallback(r)
    	}
    
    	r.RLock()
    	defer r.RUnlock()
    	if r.deleteCallback != nil {
        
    		r.deleteCallback(key)
    	}
    
    	table.Lock()
    	defer table.Unlock()
    	table.log("Deleting item with key %v created on %s and hit %d times from table", key, r.createTime, r.count)
    	delete(table.items, key)
    
    	return r, nil
    }
    
    //check exist.
    func (table *Table) Exists(key interface{
        }) bool {
        
    	table.RLock()
    	defer table.RUnlock()
    	_, ok := table.items[key]
    
    	return ok
    }
    
    //if exist, return false. if not exist add a key and return true.
    func (table *Table) NotFoundAdd(key interface{
        }, lifeSpan time.Duration, data interface{
        }) bool {
        
    	table.Lock()
    
    	if _, ok := table.items[key]; ok {
        
    		table.Unlock()
    		return false
    	}
    
    	item := NewItem(key, lifeSpan, data)
    	table.log("Adding item with key %v and lifespan of %d to table", key, lifeSpan)
    	table.items[key] = item
    
    	expDur := table.cleanupInterval
    	addedItem := table.addedCallback
    	table.Unlock()
    
    	if addedItem != nil {
        
    		addedItem(item)
    	}
    
    	if lifeSpan > 0 && (expDur == 0 || lifeSpan < expDur) {
        
    		table.checkExpire()
    	}
    	return true
    }
    
    func (table *Table) Value(key interface{
        }, args ...interface{
        }) (*Item, error) {
        
    	table.RLock()
    	r, ok := table.items[key]
    	loadData := table.loadData
    	table.RUnlock()
    
    	if ok {
        
    		//update visit count and visit time.
    		r.KeepAlive()
    		return r, nil
    	}
    
    	if loadData != nil {
        
    		item := loadData(key, args...)
    		if item != nil {
        
    			table.Add(key, item.duration, item.data)
    			return item, nil
    		}
    
    		return nil, errors.New("cannot load item")
    	}
    
    	return nil, nil
    }
    
    // truncate a table.
    func (table *Table) Truncate() {
        
    	table.Lock()
    	defer table.Unlock()
    
    	table.log("Truncate table")
    
    	table.items = make(map[interface{
        }]*Item)
    	table.cleanupInterval = 0
    	if table.cleanupTimer != nil {
        
    		table.cleanupTimer.Stop()
    	}
    }
    
    //support table sort
    type ItemPair struct {
        
    	Key         interface{
        }
    	AccessCount int64
    }
    
    type ItemPairList []ItemPair
    
    func (p ItemPairList) Swap(i, j int)      {
         p[i], p[j] = p[j], p[i] }
    func (p ItemPairList) Len() int           {
         return len(p) }
    func (p ItemPairList) Less(i, j int) bool {
         return p[i].AccessCount > p[j].AccessCount }
    
    //return most visited.
    func (table *Table) MostAccessed(count int64) []*Item {
        
    	table.RLock()
    	defer table.RUnlock()
    
    	p := make(ItemPairList, len(table.items))
    	i := 0
    	for k, v := range table.items {
        
    		p[i] = ItemPair{
        k, v.count}
    		i++
    	}
    	sort.Sort(p)
    
    	var r []*Item
    	c := int64(0)
    	for _, v := range p {
        
    		if c >= count {
        
    			break
    		}
    
    		item, ok := table.items[v.Key]
    		if ok {
        
    			r = append(r, item)
    		}
    		c++
    	}
    
    	return r
    }
    
    // print log.
    func (table *Table) log(format string, v ...interface{
        }) {
        
    	//fmt.Printf(format+"\r\n", v)
    }
    
    func NewTable() *Table {
        
    	return &Table{
        
    		items: make(map[interface{
        }]*Item),
    	}
    }

### go-cache ###

[https://github.com/patrickmn/go-cache][https_github.com_patrickmn_go-cache]

*  优点：
    
     *  简单易用，适合快速集成到现有项目中。
     *  支持过期时间，可以自动淘汰过期的缓存项。
     *  支持多种数据类型的缓存。
 *  缺点：
    
     *  性能略低于其他库，不适合高并发读写的场景。
     *  不支持分布式缓存。

### bigcache ###

[https://github.com/allegro/bigcache][https_github.com_allegro_bigcache]

*  优点：
    
     *  高性能，适用于需要快速读写大量数据的场景。
     *  使用murmurhash算法来计算哈希值，减少了哈希冲突。
     *  使用多个shard来减少锁竞争。
 *  缺点：
    
     *  不支持过期时间，只能手动清除过期的缓存项。
     *  内存使用较高，不适合存储大量数据。

### groupcache ###

[https://github.com/golang/groupcache][https_github.com_golang_groupcache]

*  优点：
    
     *  支持分布式缓存，可以在多台机器上共享缓存。
     *  采用LRU算法来淘汰缓存项，具备一定的缓存性能。
     *  提供一致性哈希算法，可以解决节点扩容等问题。
 *  缺点：
    
     *  比较复杂，使用起来较为繁琐。
     *  只支持字符串类型的键值对。

### 本地缓存对比 ###

参考文档：

*  [https://zhuanlan.zhihu.com/p/487455942][https_zhuanlan.zhihu.com_p_487455942]
 *  [https://www.jianshu.com/p/0ff2e8c61c9c?tdsourcetag=s\_pctim\_aiomsg][https_www.jianshu.com_p_0ff2e8c61c9c_tdsourcetag_s_pctim_aiomsg]

![在这里插入图片描述][8e7fcbb05f8b46bda07b1cd85a3c01ad.png]  
下面对每个库的详细介绍：

1.  go-cache：

*  **描述**：go-cache是一款简单而有效的内存缓存库，支持设置过期时间和GC机制。
 *  **并发安全**：是，使用Go的sync.Map实现数据的并发安全存储和访问。
 *  **存储限制**：无，可以存储任意类型的数据。
 *  **淘汰策略**：默认为LRU（最近最少使用）算法，也支持手动删除过期的缓存项。
 *  **分布式支持**：不支持。

1.  freecache：

*  **描述**：freecache是一款高性能的内存缓存库，使用LRU算法进行缓存项的淘汰。
 *  **并发安全**：是，使用读写锁实现并发安全访问。
 *  **存储限制**：固定大小，需要在初始化时指定总共可以缓存的字节数。
 *  **淘汰策略**：默认为LRU（最近最少使用）算法，不支持自定义。
 *  **分布式支持**：不支持。

1.  bigcache：

*  **描述**：bigcache是一款高性能的内存缓存库，使用murmurhash哈希算法快速查找。
 *  **并发安全**：是，使用多个读写锁来实现高并发的访问控制。
 *  **存储限制**：固定大小，需要在初始化时指定最多可以缓存的条目数。
 *  **淘汰策略**：默认为LRU（最近最少使用）算法，不支持自定义。
 *  **分布式支持**：不支持。

1.  groupcache：

*  **描述**：groupcache是一款支持分布式缓存的库，提供一致性哈希和HTTP请求缓存功能。
 *  **并发安全**：是，使用读写锁实现并发安全访问。
 *  **存储限制**：无，可以存储任意类型的数据。
 *  **淘汰策略**：支持自定义淘汰策略，例如手动删除过期的缓存项。
 *  **分布式支持**：是，支持分布式缓存，将数据分片存储在多个节点上，通过查询一致性哈希环来确定数据所在的节点。

1.  gocache：

*  **描述**：gocache是一款快速、强大的内存缓存库，支持过期时间、并发安全和自定义淘汰策略。
 *  **并发安全**：是，使用读写锁实现并发安全访问。
 *  **存储限制**：无，可以存储任意类型的数据。
 *  **淘汰策略**：默认为LRU（最近最少使用）算法，也支持自定义淘汰策略。
 *  **分布式支持**：不支持。

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[https_github.com_patrickmn_go-cache]: https://github.com/patrickmn/go-cache
[https_github.com_allegro_bigcache]: https://github.com/allegro/bigcache
[https_github.com_golang_groupcache]: https://github.com/golang/groupcache
[https_zhuanlan.zhihu.com_p_487455942]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/487455942
[https_www.jianshu.com_p_0ff2e8c61c9c_tdsourcetag_s_pctim_aiomsg]: https://www.jianshu.com/p/0ff2e8c61c9c?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg
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