手敲Mybatis(16章)-一级缓存功能实现

1.实现目的

这一节的目的主要是实现SqlSession级别的缓存，也就是一级缓存，首先看下图一，用户可以通过设置来进行是否开启一级缓存，不设置的化默认开启一级缓存，localCacheScope=SESSION为要设置一级缓存，localCacheScope=STATEMENT为不要设置一级缓存，（所以后面在清理缓存时会进行判断，如果是STATEMENT就删除缓存）。

2.简单说明

然后我们就需要解析下缓存设置，拿到缓存级别，执行Sql语句前，将按Mybatis的规定处理缓存key（id，参数，Sql语句，环境等等，生成对应hash值），然后判断缓存中是否有当前key的结果数据，有的化结果数据直接返回，没有的话就去执行数据库查询，然后将查询的结果存储到一级缓存Map中，然后判断缓存级别是否是STATEMENT，是的话代表不进行缓存操作，那此时删除，下次进来还是继续查询库，不是的话就不删除，留着继续执行同一SqlSession会话使用。

其实不算难，还是很简单，也很有调理，这就是设计的魅力，把每个类与属性现实化，那对应需要改动哪里，就都很清晰。

3.XML图

XML类图就是对应上面所说的逻辑的实现。

1.XMLConfigBuilder里专门解析设置操作，Configuration则是缓存级别的存储，此时需要用到LocalCacheScope枚举类，

2.Executor类里query方法添加一个参数缓存Key参数(CacheKey)，然后在BaseExecutor里用没有缓存key参数的quey方法来获取缓存key的操作(这里获取就是生成，将对应需要的参数传到CacheKey类里处理Hash)，得到后调用有缓存Key参数的query方法，这时此方法根据当前key去缓存查询是否有数据，有的话缓存拿出，没有执行queryFromDatabase方法，从数据库获取，获取完毕存储缓存里（存储Cache接口PerpetualCache类的map里）

4.代码实现

4.1 解析缓存设置

XMLConfigBuilder：解析配置XML构建器，这里需要添加私有方法settingsElement，主要解析缓存设置，解析完毕将缓存级别存储到configuration的LocalCacheScope枚举类下。

public class XMLConfigBuilder extends BaseBuilder {

   // 省略其他方法
   
    public Configuration parse() {
       // STEP-17 添加设置
       settingsElement(root.element("settings"));
    }

   /**
     * 解析配置在 XML 文件中的缓存机制。并把解析出来的内容存放到 Configuration 配置项中。
     * <settings>
     * <!--缓存级别：SESSION/STATEMENT-->
     * <setting name="localCacheScope" value="SESSION"/>
     * </settings>
     */
    private void settingsElement(Element context) {
        if (context == null) return;
        List<Element> elements = context.elements();
        Properties props = new Properties();
        for (Element element : elements) {
            props.setProperty(element.attributeValue("name"), element.attributeValue("value"));
        }
        // 设置缓存级别
        configuration.setLocalCacheScope(LocalCacheScope.valueOf(props.getProperty("localCacheScope")));
    }
}

Configuration：Configuration类里就针对缓存级别进行赋值操作。

public class Configuration {
     // 缓存机制，默认不配置的情况是 SESSION
    protected LocalCacheScope localCacheScope = LocalCacheScope.SESSION;

    public LocalCacheScope getLocalCacheScope() {
        return localCacheScope;
    }

    public void setLocalCacheScope(LocalCacheScope localCacheScope) {
        this.localCacheScope = localCacheScope;
    }
}

LocalCacheScope：缓存级别枚举，

/**
 * @Author df
 * @Description: 本地缓存机制；
 * SESSION 默认值，缓存一个会话中执行的所有查询
 * STATEMENT 不支持使用一级缓存，本地会话仅用在语句执行上，对相同 SqlSession 的不同调用将不做数据共享
 * @Date 2024/1/9 10:10
 */
// step 17添加
public enum LocalCacheScope {
    SESSION,
    STATEMENT
}

4.2 执行器缓存处理

Executor：

1.Executor类的修改是关于query方法时新添加缓存Key(CacheKey)操作，

2.添加了清除一级缓存方法定义以及创建缓存Key的方法定义

然后在BaseExecutor执行query时执行缓存存储，并根据参数生成缓存key，调用createCacheKey方法，增删改时删除缓存操作调用clearLocalCache方法。

public interface Executor {
   // step-17 添加CacheKey参数
   <E> List<E> query(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler, CacheKey key, BoundSql boundSql) throws SQLException;
   // step-17添加清理Session缓存
   void clearLocalCache();

   //  step-17添加创建缓存 Key
   CacheKey createCacheKey(MappedStatement ms, Object parameterObject, RowBounds rowBounds, BoundSql boundSql);
}

BaseExecutor：

1.update方法：添加了调用此方法就会触发清除缓存操作clearLocalCache();，当然Mybaties的操作增删改全部调用update方法。

2.query定义的有两个方法，所以没有缓存Key的那个需要先生成缓存Key，传给有缓存Key参数的query方法。

3.有缓存Key参数的query方法，先判断queryStack是否为0，是否isFlushCacheRequired强制刷新如果都是则清除下当前缓存，然后根据缓存Key去调用一级缓存(PerpetualCache类)Map里是否存储了数据，没有的话去调用queryFromDatabase方法（查询库拿到数据结果），缓存有的话直接返回就可，最后判断下缓存级别是否STATEMENT，是的话删除缓存，不是的话不操作。

4.queryFromDatabase()，这是添加的私有方法，主要是查询库结果数据，查询到的结果存储到一级缓存中。

5.commit方法的更改就是事务提交就清除缓存，所以是SqlSession级别的吗，rollback方法也是调用此方法就清除缓存。

6.clearLocalCache方法，此方法清除一级缓存。

7.createCacheKey方法，创建缓存Key的业务处理，按照MyBatis 对于其 Key 的生成采取规则为：[mappedStatementId + offset + limit + SQL + queryParams + environment]生成一个哈希码作为 Key 使用，所以依次把参数传给CacheKey的update的方法。

public abstract class BaseExecutor implements Executor {
    // 省略其他属性，方法    

    // 本地缓存
    protected PerpetualCache localCache;

    private boolean closed;
    // 查询堆栈
    protected int queryStack = 0;

    protected BaseExecutor(Configuration configuration, Transaction transaction) {
        this.configuration = configuration;
        this.transaction = transaction;
        this.wrapper = this;
        this.localCache = new PerpetualCache("LocalCache");
    }

    // update添加清除缓存操作
    @Override
    public int update(MappedStatement ms, Object parameter) throws SQLException {
        // step-17添加-----------------------------start
        if (closed) {
            throw new RuntimeException("Executor was closed.");
        }
        clearLocalCache();
        // step-17添加------------------------------end
        return doUpdate(ms, parameter);
    }

    // query查询时创建缓存Key，将Mybatis规定的参数传入进去。
    @Override
    public <E> List<E> query(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler) throws SQLException {
        BoundSql boundSql = ms.getBoundSql(parameter);
        // step-17 创建缓存Key，用这些参数组成缓存使用的Key。
        CacheKey key = createCacheKey(ms, parameter, rowBounds, boundSql);
        return query(ms, parameter, rowBounds, resultHandler, key, boundSql);
    }

    @Override
    public <E> List<E> query(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler, CacheKey key, BoundSql boundSql) throws SQLException {
        // step-17添加
        if (closed) {
            throw new RuntimeException("Executor was closed.");
        }

        // 清理局部缓存，查询堆栈为0则清理。queryStack 避免递归调用清理
        if (queryStack == 0 && ms.isFlushCacheRequired()) {
            clearLocalCache();
        }
        List<E> list;
        try {
            queryStack++;
            // 根据cacheKey从localCache中拿到结果数据
            list = resultHandler == null ? (List<E>) localCache.getObject(key) : null;
            if (list == null) {
                // 缓存没有拿到数据就去数据库查询下
                list = queryFromDatabase(ms, parameter, rowBounds, resultHandler, key, boundSql);
            }
        } finally {
            queryStack--;
        }
        if (queryStack == 0) {
            // 如果是STATEMENT证明不用缓存，所以此处清理缓存
            if (configuration.getLocalCacheScope() == LocalCacheScope.STATEMENT) {
                clearLocalCache();
            }
        }
        return list;
        // step-17添加-----------end
    }

     // step-17添加,去数据库查询数据，查询结果将存储到一级缓存中
    private <E> List<E> queryFromDatabase(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler, CacheKey key, BoundSql boundSql) throws SQLException {
        List<E> list;
        // 先存储占位符号
        localCache.putObject(key, ExecutionPlaceholder.EXECUTION_PLACEHOLDER);
        try {
            list = doQuery(ms, parameter, rowBounds, resultHandler, boundSql);
        } finally {
            // 删除占位符号
            localCache.removeObject(key);
        }
        // 将查询的数据存入当前缓存
        localCache.putObject(key, list);
        return list;
    }

     // 事务提交完毕清理缓存
    @Override
    public void commit(boolean required) throws SQLException {
        if (closed) {
            throw new RuntimeException("Cannot commit, transaction is already closed");
        }
        // step-17添加
        clearLocalCache();
        if (required) {
            transaction.commit();
        }
    }

      // 事务回滚完毕清理缓存
    @Override
    public void rollback(boolean required) throws SQLException {
        if (!closed) {
            // step-17添加
            try {
                clearLocalCache();
            } finally {
                if (required) {
                    transaction.rollback();
                }
            }
        }
    }

     // step-17添加,清理一级缓存
    @Override
    public void clearLocalCache() {
        if (!closed) {
            localCache.clear();
        }
    }

     /**
     * 创建缓存Key的hash，MyBatis 对于其 Key 的生成采取规则为：[mappedStatementId + offset + limit + SQL + queryParams + environment]生成一个哈希码作为 Key 使用。
     */
    @Override
    public CacheKey createCacheKey(MappedStatement ms, Object parameterObject, RowBounds rowBounds, BoundSql boundSql) {
        if (closed) {
            throw new RuntimeException("Executor was closed.");
        }
        CacheKey cacheKey = new CacheKey();
        // sql的id
        cacheKey.update(ms.getId());
        // offset 
        cacheKey.update(rowBounds.getOffset());
        // limit 
        cacheKey.update(rowBounds.getLimit());
        // SQL 
        cacheKey.update(boundSql.getSql());
        List<ParameterMapping> parameterMappings = boundSql.getParameterMappings();
        TypeHandlerRegistry typeHandlerRegistry = ms.getConfiguration().getTypeHandlerRegistry();
        // 根据参数获取参数的值
        for (ParameterMapping parameterMapping : parameterMappings) {
            Object value;
            String propertyName = parameterMapping.getProperty();
            if (boundSql.hasAdditionalParameter(propertyName)) {
                value = boundSql.getAdditionalParameter(propertyName);
            } else if (parameterObject == null) {
                value = null;
            } else if (typeHandlerRegistry.hasTypeHandler(parameterObject.getClass())) {
                value = parameterObject;
            } else {
                MetaObject metaObject = configuration.newMetaObject(parameterObject);
                value = metaObject.getValue(propertyName);
            }
            // queryParams
            cacheKey.update(value);
        }
        // 环境id
        if (configuration.getEnvironment() != null) {
            cacheKey.update(configuration.getEnvironment().getId());
        }
        return cacheKey;
    }
}

4.3 缓存操作

包：package cn.bugstack.mybatis.cache;

Cache接口：缓存的接口，这里提供了保存缓存、删除缓存、查询缓存、清除缓存、获取缓存长度等定义的方法。

/**
 * @Author df
 * @Description: SPI(Service Provider Interface) for cache providers. 缓存接口
 * 缓存接口主要提供了数据的存放、获取、删除、情况，以及数量大小的获取。这样的实现方式和我们通常做业务开发时，定义的数据存放都是相似的。
 * @Date 2024/1/9 10:24
 */
// step 17添加
public interface Cache {
    /**
     * 获取ID，每个缓存都有唯一ID标识
     */
    String getId();

    /**
     * 存入值
     */
    void putObject(Object key, Object value);

    /**
     * 获取值
     */
    Object getObject(Object key);

    /**
     * 删除值
     */
    Object removeObject(Object key);

    /**
     * 清空
     */
    void clear();

    /**
     * 获取缓存大小
     */
    int getSize();
}

包名：package cn.bugstack.mybatis.cache.impl;

PerpetualCache：一级缓存类，实现Cache的接口，把缓存放入到Map中就可以其他操作拉。

/**
 * @Author df
 * @Description: 一级缓存，在 Session 生命周期内一直保持，每创建新的 OpenSession 都会创建一个缓存器 PerpetualCache，
 * 一级缓存实现类也叫永久缓存
 * @Date 2024/1/9 10:26
 */
// step 17添加
public class PerpetualCache implements Cache {

    private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(PerpetualCache.class);

    private String id;

    // 使用HashMap存放一级缓存数据，session 生命周期较短，正常情况下数据不会一直在缓存存放
    private Map<Object, Object> cache = new HashMap<>();

    public PerpetualCache(String id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public String getId() {
        return id;
    }

    @Override
    public void putObject(Object key, Object value) {
        cache.put(key, value);
    }

    @Override
    public Object getObject(Object key) {
        Object obj = cache.get(key);
        if (null != obj) {
            logger.info("一级缓存 \r\nkey：{} \r\nval：{}", key, JSON.toJSONString(obj));
        }
        return obj;
    }

    @Override
    public Object removeObject(Object key) {
        return cache.remove(key);
    }

    @Override
    public void clear() {
        cache.clear();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return cache.size();
    }
}

CacheKey：缓存Key操作类，这个方法主要是BaseExecutor里的query方法调用，主要是doUpdate()方法，这里边的代码都有说明，这个方法主要是将传过来的参数处理成hash，并把原参数放入updateList（后边equal对比使用）。

这里重写了equals和hashcode等方式，如果遇到相同哈希值，避免对象重复，那么 CacheKey 缓存Key重写了 equals 对比方法。

/**
 * @Author df
 * @Description: 缓存 Key，一般缓存框架的数据结构基本上都是 Key->Value 方式存储
 * MyBatis 对于其 Key 的生成采取规则为：[mappedStatementId + offset + limit + SQL + queryParams + environment]生成一个哈希码
 * @Date 2024/1/9 10:34
 */
// step 17添加
public class CacheKey implements Cloneable, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1146682552656046210L;

    public static final CacheKey NULL_CACHE_KEY = new NullCacheKey();

    private static final int DEFAULT_MULTIPLYER = 37;
    private static final int DEFAULT_HASHCODE = 17;

    private int multiplier;
    private int hashcode;
    private long checksum;
    private int count;
    private List<Object> updateList;

    public CacheKey() {
        this.hashcode = DEFAULT_HASHCODE;
        this.multiplier = DEFAULT_MULTIPLYER;
        this.count = 0;
        this.updateList = new ArrayList<>();
    }

    public CacheKey(Object[] objects) {
        this();
        updateAll(objects);
    }

    public int getUpdateCount() {
        return updateList.size();
    }

    public void update(Object object) {
        if (object != null && object.getClass().isArray()) {
            int length = Array.getLength(object);
            for (int i = 0; i < length; i++) {
                Object element = Array.get(object, i);
                doUpdate(element);
            }
        } else {
            doUpdate(object);
        }
    }

    /**
     * 1.根据参数计算hash码值
     * 2.为了保证不重复处理计算最终的码值
     * 3.并将对象放入updateList集合中
     */
    private void doUpdate(Object object) {
        // 确保hashcode一直都是有的。
        int baseHashCode = object == null ? 1 : object.hashCode();

        // 为了跟踪缓存更新的次数。
        count++;
        // 为了计算一个累积的校验和，用于检测缓存数据的一致性。
        checksum += baseHashCode;
        // 引入一个与更新次数相关的权重或因子，影响最终的哈希值。
        baseHashCode *= count;
        // 最终的哈希码值，相乘计算保证了对象或其属性变化时，哈希码都会改变
        hashcode = multiplier * hashcode * baseHashCode;

        // 目的是为了跟存储的参数进行对比
        updateList.add(object);
    }

    public void updateAll(Object[] objects) {
        for (Object o : objects) {
            update(o);
        }
    }

    /**
     * 如果遇到相同哈希值，避免对象重复，那么 CacheKey 缓存Key重写了 equals 对比方法。这也就为什么在 doUpdate
     * 计算哈希方法时，把对象添加到 updateList.add(object); 集合中，就是用于这里的 equal 判断使用。
     * */
    // 重写对象的equals方法，用于对象判断
    @Override
    public boolean equals(Object object) {
        if (this == object) {
            return true;
        }
        if (!(object instanceof CacheKey)) {
            return false;
        }
        final CacheKey cacheKey = (CacheKey) object;
        if (hashcode != cacheKey.hashcode) {
            return false;
        }
        if (checksum != cacheKey.checksum) {
            return false;
        }
        if (count != cacheKey.count) {
            return false;
        }

        for (int i = 0; i < updateList.size(); i++) {
            Object thisObject = updateList.get(i);
            Object thatObject = cacheKey.updateList.get(i);
            if (thisObject == null) {
                if (thatObject != null) {
                    return false;
                }
            } else {
                if (!thisObject.equals(thatObject)) {
                    return false;
                }
            }
        }
        return true;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return hashcode;
    }

    // 将每个参数都以冒号形式拼接。
    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder returnValue = new StringBuilder().append(hashcode).append(':').append(checksum);
        for (Object obj : updateList) {
            returnValue.append(':').append(obj);
        }

        return returnValue.toString();
    }

    @Override
    public CacheKey clone() throws CloneNotSupportedException {
        CacheKey clonedCacheKey = (CacheKey) super.clone();
        clonedCacheKey.updateList = new ArrayList<>(updateList);
        return clonedCacheKey;
    }
}

NullCacheKey：NULL值操作。

/**
 * @Author df
 * @Description: NULL值缓存Key
 * @Date 2024/1/9 10:36
 */
// step 17添加
public class NullCacheKey extends CacheKey{
    private static final long  serialVersionUID = 3704229911977019465L;
    public NullCacheKey() {
        super();
    }
}

4.4 其他更改

为了能够兼容使用，其他地方的更改。

ExecutionPlaceholder：ExecutionPlaceholder类，这个是在存储结果数据集前先存储此占位符。

包名：package cn.bugstack.mybatis.executor;

/**
 * @Author df
 * @Description: 占位符
 * @Date 2024/1/9 11:29
 */
public enum ExecutionPlaceholder {
    EXECUTION_PLACEHOLDER
}

MappedStatement：MappedStatement修改，此类添加私有的变量

public class MappedStatement {
    // step-17添加
    private boolean flushCacheRequired;

    public boolean isFlushCacheRequired() {
        return flushCacheRequired;
    }
}

DefaultSqlSession：此类selectList方法调用query方法时去掉Sql的参数。

public class DefaultSqlSession implements SqlSession {

      @Override
    public <E> List<E> selectList(String statement, Object parameter) {
        logger.info("执行查询 statement：{} parameter：{}", statement, JSON.toJSONString(parameter));
        MappedStatement ms = configuration.getMappedStatement(statement);
        try {
            // step-17修改删除参数Sql
            return executor.query(ms, parameter, RowBounds.DEFAULT, Executor.NO_RESULT_HANDLER);
        } catch (SQLException e) {
            throw new RuntimeException("Error querying database.  Cause: " + e);
        }
    }
}