深入理解 Spring Cache 的工作原理及集成其它第三方缓存

1、Spring Cache 简介
2、常用注解
- 2.1、常用注解介绍
- 2.2、常用注解的主要参数
3、缓存注解上 SPEL 表达式可使用的元数据
4、入门案例
- 4.1、引入依赖
- 4.2、开启缓存功能
- 4.3、使用缓存
- - 4.3.1、新建一个 `UserServiceImpl`
  - 4.3.2、新建一个 `UserController`
5、工作原理
- 5.1、缓存自动配置类 CacheAutoConfiguration
- 5.2、默认缓存管理器 ConcurrentMapCacheManager
- 5.3、默认缓存 ConcurrentMapCache
- 5.4、@CachePut 注解
- 5.5、@Cacheable 注解
- 5.6、key 的生成策略
6、Spring Cache 集成其它第三方缓存
- 6.1、集成 Ehcache
- - 6.1.1、引入依赖
  - 6.1.2、开启缓存功能【已开启】
  - 6.1.3、配置缓存管理器
  - 6.1.4、调用 Controller
- 6.2、集成 Redis
- - 6.2.1、引入依赖
  - 6.2.2、添加配置
  - 6.2.3、调用 Controller

1、Spring Cache 简介

Spring 从 3.1 开始定义了 org.springframework.cache.Cache 和 org.springframework.cache.CacheManager 接口来统一不同的缓存技术

Cache：缓存接口，定义缓存操作。实现有：RedisCache、EhCacheCache、ConcurrentMapCache 等
CacheManager : 缓存管理器，管理各种缓存（Cache）组件
keyGenerator : 缓存数据时 key 生成策略
serialize: 缓存数据时 value 序列化策略

2、常用注解

2.1、常用注解介绍

cache 方面的注解主要有以下 5 个：

@Cacheable【创建、查询缓存】：触发缓存入口（一般放在创建和获取的方法上，@Cacheable 注解会先查询是否已经有缓存。如果有，则直接从缓存中返回；如果没有，则会执行方法并返回结果缓存【返回方法返回 NULL，则不进行缓存】）
@CachePut【更新缓存】：更新缓存且不影响方法执行（用于修改的方法上，该注解下的方法始终会被执行）
@CacheEvict【删除缓存】：触发缓存的 eviction（用于删除的方法上）
@Caching【组合缓存配置】：将多个缓存组合在一个方法上（该注解可以允许一个方法同时设置多个注解）
@CacheConfig【类级别共享配置】：在类级别设置一些缓存相关的共同配置（与其它缓存配合使用），避免在每个缓存方法上重复配置相同的缓存属性

2.2、常用注解的主要参数

@Cacheable/@CachePut/@CacheEvict 注解上的主要参数：

参数名	解释	举例
value	缓存的名称，必须至少指定一个	@Cacheable(value = “cache”) 或 @Cacheable(value = {“cache1”, “cache2”})
key	缓存的 key。可以为空。如果指定，需要按照 SPEL 表达式编写；否则，按照方法的所有参数组合	@Cacheable(value = “cache”, key = “#id”)
condition	缓存的条件，可以为空。使用 SPEL 表达式编写。只有为 true，才进行缓存/清除缓存；在调用方法之前、之后都能判断	@Cacheable(value = “cache”, condition = “#userName.length() > 5”)
allEntries	是否清空所有缓存。如果指定为 true，则调用完方法后立即清空所有缓存
beforeInvocation	是否在方法执行前清空。如果指定为 true，则在方法执行前就清空缓存
unless	用于否决缓存，只在方法执行之后判断。对返回值 result 进行判断，如果为 true，则不会缓存；否则，会缓存

3、缓存注解上 SPEL 表达式可使用的元数据

Spring Cache 提供了一些供我们使用的 SpEL 上下文数据，下表：

名称	位置	描述	示例
methodName	root 对象	当前被调用的方法名	#root.methodname
method	root 对象	当前被调用的方法	#root.method.name
target	root 对象	当前被调用的目标对象实例	#root.target
targetClass	root 对象	当前被调用的目标对象的类	#root.targetClass
args	root 对象	当前被调用的方法的参数列表	#root.args[0]
caches	root 对象	当前方法调用使用的缓存列表	#root.caches[0].name
Argument Name	执行上下文	当前被调用的方法的参数，如findArtisan(Artisan artisan),可以通过#artsian.id获得参数	#artsian.id
result	执行上下文	方法执行后的返回值（仅当方法执行后的判断有效，如 unless cacheEvict的beforeInvocation=false）	#result

当我们要使用root对象的属性作为key时我们也可以将“#root”省略，因为Spring默认使用的就是root对象的属性。如：@Cacheable(key = "targetClass + methodName +#p0")
使用方法参数时我们可以直接使用“#参数名”或者“#p参数index”。如：@Cacheable(value="userCache", key="#id")、@Cacheable(value="userCache", key="#p0")

SpEL 提供了多种运算符

类型	运算符
关系	<，>，<=，>=，==，!=，lt，gt，le，ge，eq，ne
算术	+，- ，* ，/，%，^
逻辑	&&，
条件	?: (ternary)，?: (elvis)
正则表达式	matches
其他类型	?.，?[…]，![…]，¹，$[…]

4、入门案例

4.1、引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
</dependency>

4.2、开启缓存功能

开启缓存功能，需要先添加使能注解 @EnableCaching，通常习惯在启动类配置，否则缓存注解@Cacheable 等不起作用

4.3、使用缓存

4.3.1、新建一个 `UserServiceImpl`

@Slf4j
@Service
@CacheConfig(cacheNames = "userCache")
public class UserServiceImpl {

    // 模拟数据库数据
    private Map<Integer, User> userMap = new HashMap<>();

    @CachePut(key = "#user.id")
    public User add(User user) {
        log.info("add");
        userMap.put(user.getId(), user);
        return user;
    }

    @Cacheable(key = "#id")
    public User get(Integer id) {
        log.info("get");
        return userMap.get(id);
    }

    @CachePut(key = "#user.id")
    public User update(User user) {
        log.info("update");
        userMap.put(user.getId(), user);
        return user;
    }

    @CacheEvict(key = "#id")
    public void delete(Integer id) {
        log.info("delete");
        userMap.remove(id);
    }
}

4.3.2、新建一个 `UserController`

@RestController
public class UserController {

    @Autowired
    private UserServiceImpl userServiceImpl;

    @PostMapping
    public String add(@RequestBody User user) {
        userServiceImpl.add(user);
        return "add";
    }

    @GetMapping("/{id}")
    public User get(@PathVariable Integer id) {
        User user = userServiceImpl.get(id);
        return user;
    }

    @PutMapping
    public String update(@RequestBody User user) {
        userServiceImpl.update(user);
        return "update";
    }

    @DeleteMapping("/{id}")
    public String delete(@PathVariable Integer id) {
        userServiceImpl.delete(id);
        return "delete";
    }

}

5、工作原理

5.1、缓存自动配置类 CacheAutoConfiguration

分析运行流程，首先要先从自动配置类入手，缓存的自动配置类为 CacheAutoConfiguration，其中它在 @Import 中导入了 CacheAutoConfiguration.CacheConfigurationImportSelector.class

static class CacheConfigurationImportSelector implements ImportSelector {
    public String[] selectImports(AnnotationMetadata importingClassMetadata) {
    	// 获取所有的缓存类型
        CacheType[] types = CacheType.values();
        String[] imports = new String[types.length];

        for(int i = 0; i < types.length; ++i) {
        	// 根据缓存类型获取对应的配置类
            imports[i] = CacheConfigurations.getConfigurationClass(types[i]);
        }
        return imports;
    }
}

selectImports() 方法导入了所有的缓存配置类。因此，在返回值这里打上断点，查看结果如下：

在这里插入图片描述

那么，默认情况下是哪个配置类生效呢？在每一个配置类上都有对应的条件注解 @ConditionXxx()。

以 org.springframework.boot.autoconfigure.cache.GenericCacheConfiguration 为例：

@ConditionalOnBean({Cache.class})
@ConditionalOnMissingBean({CacheManager.class})
@Conditional({CacheCondition.class})
class GenericCacheConfiguration {
	//...
}

确保只有在存在 Cache Bean 且不存在 CacheManager Bean 的情况下，才会创建这个缓存管理器 SimpleCacheManager

为了在控制台上观察它的自动配置报告，现在 application.yml 全局配置文件中开启：

debug: true

运行主程序，打印控制台，发现只有一个 SimpleCacheConfiguration 匹配上。所以默认是它生效的：

在这里插入图片描述

而 SimpleCacheConfiguration 就是给容器中注册了一个 ConcurrentMapCacheManager 缓存管理器：

@ConditionalOnMissingBean({CacheManager.class})
@Conditional({CacheCondition.class})
class SimpleCacheConfiguration {

    @Bean
    ConcurrentMapCacheManager cacheManager(CacheProperties cacheProperties, CacheManagerCustomizers cacheManagerCustomizers) {
        ConcurrentMapCacheManager cacheManager = new ConcurrentMapCacheManager();
        List<String> cacheNames = cacheProperties.getCacheNames();
        if (!cacheNames.isEmpty()) {
            cacheManager.setCacheNames(cacheNames);
        }
        return (ConcurrentMapCacheManager)cacheManagerCustomizers.customize(cacheManager);
    }
}

5.2、默认缓存管理器 ConcurrentMapCacheManager

getCache() 方法：根据 name 获取缓存 ConcurrentMapCache，如果为空，则创建；否则，直接返回

@Nullable
public Cache getCache(String name) {
    Cache cache = (Cache)this.cacheMap.get(name);
    if (cache == null && this.dynamic) {
        synchronized(this.cacheMap) {
            cache = (Cache)this.cacheMap.get(name);
            if (cache == null) {
                cache = this.createConcurrentMapCache(name);
                this.cacheMap.put(name, cache);
            }
        }
    }
    return cache;
}

5.3、默认缓存 ConcurrentMapCache

public class ConcurrentMapCache extends AbstractValueAdaptingCache {
	// 存数据
	private final ConcurrentMap<Object, Object> store;
	// 序列化
	@Nullable
    private final SerializationDelegate serialization;	
	
	// 根据 key 查找
    @Nullable
    protected Object lookup(Object key) {
        return this.store.get(key);
    }
    
    // 添加
    public void put(Object key, @Nullable Object value) {
        this.store.put(key, this.toStoreValue(value));
    }
    
    // 删除
    public void evict(Object key) {
        this.store.remove(key);
    }
    //...
}

5.4、@CachePut 注解

@CachePut 注解流程：

先根据缓存名称获取缓存 Cache【ConcurrentMapCacheManager】，没有则创建。这里是 ConcurrentMapCache
调用 put() 方法存入缓存中【ConcurrentMapCache】，如果配置序列化，则将 value 先进行序列化

在这里插入图片描述

5.5、@Cacheable 注解

@Cacheable 注解流程：

先根据缓存名称获取缓存 Cache【ConcurrentMapCacheManager】，没有则创建。这里是 ConcurrentMapCache
调用 lookup() 方法从缓存中查询【ConcurrentMapCache】，如果查询到，则直接返回；否则，就调用目标方法，将目标方法返回的结果，放进缓存中

在这里插入图片描述

5.6、key 的生成策略

lookup() 方法的入参是 key。那这个 key 是如何来的呢？

通过断点信息查看，通过 CacheAspectSupport#generateKey() 方法生成的：

在这里插入图片描述

在它的方法中，是通过 keyGnerator 对象来制定 key 的生成策略：

在这里插入图片描述

默认情况是使用 SimpleKeyGenerator，

在这里插入图片描述

通过生成的 key 查找 cache，如果存在，则直接返回：

在这里插入图片描述

6、Spring Cache 集成其它第三方缓存

SpringBoot的内置缓存以及整合第三方缓存

6.1、集成 Ehcache

6.1.1、引入依赖

只需添加以下依赖（在原有的依赖基础上）：

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

6.1.2、开启缓存功能【已开启】

6.1.3、配置缓存管理器

@Configuration
public class EhCacheConfig {

    @Bean(name = "ehCacheManager")
    public CacheManager cacheManager() {
        // ①：设置内存存储位置和数量大小
        ResourcePools resourcePools = ResourcePoolsBuilder.newResourcePoolsBuilder()
                // 堆内存
                .heap(1000)
                // 堆外内存
                .offheap(10, MemoryUnit.MB)
                // 磁盘
                .disk(20,MemoryUnit.MB, true)
                .build();
        // ②：设置生存时间
        ExpiryPolicy expiry = ExpiryPolicyBuilder.timeToIdleExpiration(Duration.ofMillis(1000));
        // ③：设置 CacheConfiguration
        CacheConfiguration userCache = CacheConfigurationBuilder
                .newCacheConfigurationBuilder(Integer.class, String.class, resourcePools)
                .withExpiry(expiry)
                .build();
        // ④：设置磁盘存储的位置
        CacheManagerBuilder<PersistentCacheManager> cacheManagerBuilder = CacheManagerBuilder.newCacheManagerBuilder().with(CacheManagerBuilder.persistence("D:/data/"));
        // ⑤：设置缓存名称
        cacheManagerBuilder = cacheManagerBuilder.withCache("userCache", userCache);
        // 初始化 CacheManager
        return cacheManagerBuilder.build(true);

    }
}

6.1.4、调用 Controller

到这里，SpringBoot 整合 Ehcache 就做完了。可以发现一点，原始代码没有任何修改，仅仅是加了一组配置就可以变更缓存供应商了，这也是 SpringBoot 提供了统一的缓存操作接口的优势，变更实现并不影响原始代码的书写

6.2、集成 Redis

6.2.1、引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

6.2.2、添加配置

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
  cache:
    redis:
      # 是否使用 key 前缀
      use-key-prefix: true
      # key 前缀
      key-prefix: "userCache:"
      # 是否缓存空值
      cache-null-values: true
      # 缓存过期时间，单位毫秒
      time-to-live: 3600000