Springboot 内置缓存与整合Redis作为缓存

Spring Boot 的缓存注解允许开发者在不修改业务逻辑的情况下，将方法的计算结果缓存起来，从而减少重复计算和数据库查询，提高系统性能。

1、Spring Boot Cache 的基本用法及常用注解

1. 引入依赖

首先，需要在项目中引入缓存相关依赖。

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

2. 启用缓存

在 Spring Boot 主程序类上添加 @EnableCaching 注解，开启缓存支持：

@SpringBootApplication
@EnableCaching
public class CacheApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(CacheApplication.class, args);
    }
}

3. 常用注解

@Cacheable

用于将方法的返回结果缓存起来。
方法被调用时，Spring 会先检查缓存中是否有数据，如果有则直接返回缓存结果，否则执行方法并将结果放入缓存。
@Cacheable 本身并不直接提供过期时间的配置。缓存的过期时间取决于具体的缓存提供者。

@Service
public class UserService {

    @Cacheable(value = "userCache", key = "#id")#根据id不同查找缓存，在同一个缓存空间（如 responseCache）内，可以存储多个结果，每个结果与唯一的缓存键对应（即不同的请求参数对应不同的缓存结果）。
    public User getUserById(Long id) {
        // 假设这是一个耗时的数据库查询
        return userRepository.findById(id).orElse(null);
    }
}

注：

@Cacheable：表示该方法的结果应该被缓存。Spring 在方法第一次被调用时会执行该方法并缓存其结果，后续对同一参数的调用将直接返回缓存中的结果。
value = "userCache"：指定缓存的名称，value 属性对应缓存的命名空间。这里的 userCache 是缓存的名称，用于存储此方法的返回结果。userCache 可以对应一个具体的缓存实现（如 Redis、EhCache 等）中一个独立的缓存区域。
key = "#id"：指定缓存的键。使用 Spring 表达式语言（SpEL）来定义缓存键的生成规则，#id 表示方法参数 id 的值作为缓存的键。
- 在这里，#id 会直接使用方法参数 id 的值。例如，当 id=1 时，缓存键就是 1。
- 如果不指定 key 属性，Spring 会默认将所有方法参数的组合作为缓存键。

默认键生成机制

当 @Cacheable 注解没有指定 key 时，Spring Cache 会将所有方法参数的组合作为默认缓存键。具体来说，Spring Cache 使用 SimpleKeyGenerator 生成缓存键：

单一参数：如果方法有一个参数，且未指定 key，Spring 会直接使用该参数作为缓存键。
多参数：如果方法有多个参数，Spring 会将它们组合成一个 SimpleKey 对象作为缓存键。
无参数：如果方法没有参数，Spring 会使用 SimpleKey.EMPTY 作为缓存键。

如果传入的是自定义对象参数，Spring 会调用该对象的 hashCode 和 equals 方法来识别不同参数值的唯一性，以确保生成的缓存键唯一。对于自定义对象，如果没有重写 equals 和 hashCode 方法，则默认使用 Object 类的实现。Object 的 hashCode 和 equals 方法基于对象的内存地址判断两个对象是否相等，这样不同实例即使内容相同，也会被认为是不同的对象。因此，不重写 equals 和 hashCode 可能会导致缓存命中失败，从而产生重复的缓存条目。

不指定 key 且传入自定义对象：需要重写对象的 equals 和 hashCode 方法，以确保相同内容的对象具有相同的缓存键。
推荐方式：如果传入对象属性确定，可以使用 SpEL 表达式明确指定缓存键（如 key = "#user.id"），这样更简洁并避免了对 equals 和 hashCode 的依赖。

@CachePut

用于强制更新缓存内容，方法每次都会执行，将返回值放入缓存。

常用于方法更新数据后，同时更新缓存中的数据。


@Service
public class UserService {
    
    @CachePut(value = "userCache", key = "#user.id")
    public User updateUser(User user) {
        // 更新数据库中的用户信息
        return userRepository.save(user);
    }
}

@CachePut 注解表示方法执行完成后将结果更新到 userCache 中，key 为 user.id。

@CacheEvict

用于清除缓存数据。

通常用于删除或更新方法，用于从缓存中移除不再需要的数据。

@Service
public class UserService {

    @CacheEvict(value = "userCache", key = "#id")
    public void deleteUser(Long id) {
        // 删除数据库中的用户
        userRepository.deleteById(id);
    }
}

@CacheEvict 会将缓存 userCache 中 key 为 id 的缓存项删除，确保缓存中的数据与数据库保持一致。

@Caching

用于组合多个缓存注解，适用于需要同时执行多个缓存操作的场景。


@Service
public class UserService {

    @Caching(
        put = { @CachePut(value = "userCache", key = "#user.id") },
        evict = { @CacheEvict(value = "userListCache", allEntries = true) }
    )
    public User saveUser(User user) {
        // 保存用户信息
        return userRepository.save(user);
    }
}

在此示例中，@Caching 组合了 @CachePut 和 @CacheEvict，即在缓存 userCache 中更新用户数据，同时清除 userListCache 中的所有缓存项。

4. 自定义缓存键和条件

Spring Boot Cache 允许通过 key 和 condition 参数自定义缓存键和条件。

key：自定义缓存的 key，可以使用 SpEL 表达式。默认是方法参数的组合。
condition：满足指定条件时才缓存，使用 SpEL 表达式。
unless：满足条件时不缓存，优先级高于 condition。

@Cacheable(value = "userCache", key = "#user.id", condition = "#user.age > 18", unless = "#result == null")
public User getUser(User user) {
    return userRepository.findById(user.getId()).orElse(null);
}

在此例中，condition 表示只有用户年龄大于 18 时才缓存，unless 表示当方法返回值为 null 时不缓存。

5.完整示例

@Service
public class UserService {

    @Cacheable(value = "userCache", key = "#id")
    public Optional<User> getUserById(Long id) {
        // 模拟数据库查询
        return userRepository.findById(id);
    }

    @CachePut(value = "userCache", key = "#user.id")
    public User updateUser(User user) {
        // 更新数据库中的用户信息
        return userRepository.save(user);
    }

    @CacheEvict(value = "userCache", key = "#id")
    public void deleteUser(Long id) {
        // 从数据库中删除用户信息
        userRepository.deleteById(id);
    }
}

缺点：本地缓存，分布式场景容易产生数据不一致的情况。

2、Spring Boot 结合 Redis 实现缓存

为了解决缓存一致问题，可以引入分布式缓存Redis。

1. 引入依赖

项目中添加 Redis 的依赖：

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

2. 配置 Redis 连接

在 application.yml 或 application.properties 中配置 Redis 连接信息：

# Spring Cache 配置
spring.cache.type=redis   # 设置 Spring 缓存使用 Redis

# Redis 连接配置
spring.redis.host=localhost   # Redis 服务器地址
spring.redis.port=6379        # Redis 服务器端口
spring.redis.password=yourpassword   # Redis 连接密码，如果没有则省略
# Redis 缓存过期时间（可选）
spring.cache.redis.time-to-live=60000   # 设置缓存的默认过期时间（单位为毫秒），此处为 60 秒

spring.cache.redis.use-key-prefix=true    # 使用 key 前缀，果有多种业务数据存储在同一个 Redis 实例中，建议开启 key 前缀
spring.cache.redis.key-prefix=test_cache_  # 设置 Redis 缓存的 key 前缀

3. 启用缓存支持

同上

4. 使用缓存注解

同上

这样即可使用 Redis分布式缓存替换Spring Boot 自带缓存显著提升性能，解决分布式场景下数据不一致问题。

3、引入缓存带来的问题

缓存击穿

定义

缓存击穿是指一个热点数据在缓存过期的瞬间，大量并发请求访问该数据，由于缓存刚好过期，导致请求同时涌入数据库查询。这个问题会导致数据库压力骤增，甚至崩溃。

原因

热点数据在缓存失效的瞬间，大量请求同时访问该数据。
高并发场景下，单一热点数据的缓存失效后数据库压力过大。

解决方案

设置热点数据永不过期（逻辑过期）：对于少量非常热门的数据，可以设置缓存永不过期。然后通过后台异步线程来定时更新缓存，避免缓存失效导致的瞬间压力增大。
加锁机制：在缓存失效时，只有一个线程去数据库中查询数据并回填缓存，其他线程等待第一个线程完成后从缓存读取。可以使用分布式锁（如 Redis 分布式锁）来控制并发。
双重检查：在缓存失效时再进行二次检查。在缓存过期的情况下，多个线程查询缓存后都会去请求数据库，可以在第一次查询数据库后立即更新缓存，再次检查缓存以减少数据库的并发压力。
增加定时任务定期刷新缓存：通过 Spring 的定时任务来实现定时刷新缓存，保证热点数据在缓存即将失效时被重新加载。

缓存穿透

定义

缓存穿透是指大量请求查询缓存中不存在的数据，导致请求直接穿透缓存到数据库，给数据库带来极大压力。例如，用户查询一个不存在的用户 ID，由于缓存中没有该数据且数据库也没有结果，每次查询都绕过缓存直接访问数据库。

原因

查询的 key 不存在，缓存没有数据，直接查询数据库。
恶意攻击或程序错误导致频繁查询不存在的 key。

解决方案

缓存空结果：对于数据库查询结果为空的数据，将空结果也缓存一段时间（例如 5 分钟）。这样，短时间内相同的请求不会频繁查询数据库。可以通过设置较短的过期时间来避免大量无效数据长期占用缓存。（spring.cache.redis.cache-null-values=true）
布隆过滤器：在缓存之前增加一个布隆过滤器，用于判断 key 是否可能存在。布隆过滤器可以有效过滤掉不存在的数据，避免直接查询数据库。
参数校验：对用户输入的 key 进行校验，防止恶意请求。比如查询数据库前对 key 做基础检查，确保格式和范围有效。

缓存雪崩

定义

缓存雪崩是指缓存中大量数据在同一时间失效，导致大量请求同时打到数据库，造成数据库压力激增。缓存雪崩可能会导致系统出现短暂或持续的不可用。

原因

大量缓存设置了相同的过期时间，在某一时刻同时失效。
系统重启或崩溃，导致所有缓存失效。

解决方案

缓存过期时间加随机：避免所有缓存设置相同的过期时间，可以在过期时间上增加一个随机值，使得缓存过期时间分散，避免集中失效。
缓存预热：在系统启动时，将常用的热点数据提前加载到缓存中，避免高峰时段突然访问数据库。
分级降级策略：在缓存雪崩发生时，可以使用限流策略和降级策略，限制数据库的访问频率。同时，也可以用备用缓存来缓解瞬时压力。
多层缓存架构：使用多级缓存（如本地缓存 + 分布式缓存）或多机房缓存，实现分布式缓存冗余，避免单点失效导致大量缓存失效。

总结：

问题	定义	解决方案
缓存穿透	请求大量不存在的 key，导致直接查询数据库	缓存空结果、布隆过滤器、参数校验
缓存击穿	热点数据过期，瞬时大量请求穿透缓存，打到数据库	设置热点数据永不过期、加锁机制、双重检查
缓存雪崩	缓存中大量数据同时失效，导致数据库请求激增	设置过期时间加随机、缓存预热、分级降级策略、多层缓存