高性能緩存 Caffeine 原理及實戰

一、簡介

Caffeine 是基于Java 8 開發的、提供了近乎最佳命中率的高性能本地緩存元件，Spring5 開始不再支援 Guava Cache，改為使用 Caffeine。

下面是 Caffeine 官方測試報告。

由上面三幅圖可見：不管在并發讀、并發寫還是并發讀寫的場景下，Caffeine 的性能都大幅領先于其他本地開源緩存元件。

本文先介紹 Caffeine 實作原理，再講解如何在項目中使用 Caffeine 。

 二、Caffeine 原理

2.1 淘汰算法

2.1.1 常見算法

對于 Java 程序内緩存我們可以通過 HashMap 來實作。不過，Java 程序記憶體是有限的，不可能無限地往裡面放緩存對象。這就需要有合适的算法輔助我們淘汰掉使用價值相對不高的對象，為新進的對象留有空間。常見的緩存淘汰算法有 FIFO、LRU、LFU。

FIFO(First In First Out)：先進先出。

它是優先淘汰掉最先緩存的資料、是最簡單的淘汰算法。缺點是如果先緩存的資料使用頻率比較高的話，那麼該資料就不停地進進出出，是以它的緩存命中率比較低。

LRU(Least Recently Used)：最近最久未使用。

它是優先淘汰掉最久未通路到的資料。缺點是不能很好地應對偶然的突發流量。比如一個資料在一分鐘内的前59秒通路很多次，而在最後1秒沒有通路，但是有一批冷門資料在最後一秒進入緩存，那麼熱點資料就會被沖刷掉。

LFU(Least Frequently Used)：

最近最少頻率使用。它是優先淘汰掉最不經常使用的資料，需要維護一個表示使用頻率的字段。

主要有兩個缺點：

一、如果通路頻率比較高的話，頻率字段會占據一定的空間；

二、無法合理更新新上的熱點資料，比如某個歌手的老歌播放曆史較多，新出的歌如果和老歌一起排序的話，就永無出頭之日。

2.1.2 W-TinyLFU 算法

Caffeine 使用了 W-TinyLFU 算法，解決了 LRU 和LFU上述的缺點。W-TinyLFU 算法由論文《TinyLFU: A Highly Efficient Cache Admission Policy》提出。

它主要幹了兩件事：

一、采用 Count–Min Sketch 算法降低頻率資訊帶來的記憶體消耗；

二、維護一個PK機制保障新上的熱點資料能夠緩存。

如下圖所示，Count–Min Sketch 算法類似布隆過濾器 (Bloom filter)思想，對于頻率統計我們其實不需要一個精确值。存儲資料時，對key進行多次 hash 函數運算後，二維數組不同位置存儲頻率（Caffeine 實際實作的時候是用一維 long 型數組，每個 long 型數字切分成16份，每份4bit，預設15次為最高通路頻率，每個key實際 hash 了四次，落在不同 long 型數字的16份中某個位置）。讀取某個key的通路次數時，會比較所有位置上的頻率值，取最小值傳回。對于所有key的通路頻率之和有個最大值，當達到最大值時，會進行reset即對各個緩存key的頻率除以2。

如下圖緩存通路頻率存儲主要分為兩大部分，即 LRU 和 Segmented LRU 。新通路的資料會進入第一個 LRU，在 Caffeine 裡叫 WindowDeque。當 WindowDeque 滿時，會進入 Segmented LRU 中的 ProbationDeque，在後續被通路到時，它會被提升到 ProtectedDeque。當 ProtectedDeque 滿時，會有資料降級到 ProbationDeque 。資料需要淘汰的時候，對 ProbationDeque 中的資料進行淘汰。具體淘汰機制：取ProbationDeque 中的隊首和隊尾進行 PK，隊首資料是最先進入隊列的，稱為受害者，隊尾的資料稱為攻擊者，比較兩者 頻率大小，大勝小汰。

總的來說，通過 reset 衰減，避免曆史熱點資料由于頻率值比較高一直淘汰不掉，并且通過對通路隊列分成三段，這樣避免了新加入的熱點資料早早地被淘汰掉。

2.2 高性能讀寫

Caffeine 認為讀操作是頻繁的，寫操作是偶爾的，讀寫都是異步線程更新頻率資訊。

2.2.1 讀緩沖

傳統的緩存實作将會為每個操作加鎖，以便能夠安全的對每個通路隊列的元素進行排序。一種優化方案是将每個操作按序加入到緩沖區中進行批處理操作。讀完把資料放到環形隊列 RingBuffer 中，為了減少讀并發，采用多個 RingBuffer，每個線程都有對應的 RingBuffer。環形隊列是一個定長數組，提供高性能的能力并最大程度上減少了 GC所帶來的性能開銷。資料丢到隊列之後就傳回讀取結果，類似于資料庫的WAL機制，和ConcurrentHashMap 讀取資料相比，僅僅多了把資料放到隊列這一步。異步線程并發讀取 RingBuffer 數組，更新通路資訊，這邊的線程池使用的是下文實戰小節講的 Caffeine 配置參數中的 executor。

2.2.2 寫緩沖

與讀緩沖類似，寫緩沖是為了儲存寫事件。讀緩沖中的事件主要是為了優化驅逐政策的命中率，是以讀緩沖中的事件完整程度允許一定程度的有損。但是寫緩沖并不允許資料的丢失，是以其必須實作為一個安全的隊列。Caffeine 寫是把資料放入MpscGrowableArrayQueue 阻塞隊列中，它參考了JCTools裡的MpscGrowableArrayQueue ，是針對 MPSC- 多生産者單消費者（Multi-Producer & Single-Consumer）場景的高性能實作。多個生産者同時并發地寫入隊列是線程安全的，但是同一時刻隻允許一個消費者消費隊列。

 三、Caffeine 實戰

3.1 配置參數

Caffeine 借鑒了Guava Cache 的設計思想，如果之前使用過 Guava Cache，那麼Caffeine 很容易上手，隻需要改變相應的類名就行。構造一個緩存 Cache 示例代碼如下：

Cache cache = Caffeine.newBuilder().maximumSize(1000).expireAfterWrite(6, TimeUnit.MINUTES).softValues().build();
           

Caffeine 類相當于建造者模式的 Builder 類，通過 Caffeine 類配置 Cache，配置一個Cache 有如下參數：

• expireAfterWrite：寫入間隔多久淘汰；
• expireAfterAccess：最後通路後間隔多久淘汰；
• refreshAfterWrite：寫入後間隔多久重新整理，該重新整理是基于通路被動觸發的，支援異步重新整理和同步重新整理，如果和 expireAfterWrite 組合使用，能夠保證即使該緩存通路不到、也能在固定時間間隔後被淘汰，否則如果單獨使用容易造成OOM；
• expireAfter：自定義淘汰政策，該政策下 Caffeine 通過時間輪算法來實作不同key 的不同過期時間；
• maximumSize：緩存 key 的最大個數；
• weakKeys：key設定為弱引用，在 GC 時可以直接淘汰；
• weakValues：value設定為弱引用，在 GC 時可以直接淘汰；
• softValues：value設定為軟引用，在記憶體溢出前可以直接淘汰；
• executor：選擇自定義的線程池，預設的線程池實作是 ForkJoinPool.commonPool()；
• maximumWeight：設定緩存最大權重；
• weigher：設定具體key權重；
• recordStats：緩存的統計資料，比如命中率等；
• removalListener：緩存淘汰監聽器；
• writer：緩存寫入、更新、淘汰的監聽器。

3.2 項目實戰

Caffeine 支援解析字元串參數，參照 Ehcache 的思想，可以把所有緩存項參數資訊放入配置檔案裡面，比如有一個 caffeine.properties 配置檔案，裡面配置參數如下：

users=maximumSize=10000,expireAfterWrite=180s,softValues
goods=maximumSize=10000,expireAfterWrite=180s,softValues
           

針對不同的緩存，解析配置檔案，并加入 Cache 容器裡面，代碼如下：

@Component
@Slf4j
public class CaffeineManager {
    private final ConcurrentMap<String, Cache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);
 
    @PostConstruct
    public void afterPropertiesSet() {
        String filePath = CaffeineManager.class.getClassLoader().getResource("").getPath() + File.separator + "config"
            + File.separator + "caffeine.properties";
        Resource resource = new FileSystemResource(filePath);
        if (!resource.exists()) {
            return;
        }
        Properties props = new Properties();
        try (InputStream in = resource.getInputStream()) {
            props.load(in);
            Enumeration propNames = props.propertyNames();
            while (propNames.hasMoreElements()) {
                String caffeineKey = (String) propNames.nextElement();
                String caffeineSpec = props.getProperty(caffeineKey);
                CaffeineSpec spec = CaffeineSpec.parse(caffeineSpec);
                Caffeine caffeine = Caffeine.from(spec);
                Cache manualCache = caffeine.build();
                cacheMap.put(caffeineKey, manualCache);
            }
        }
        catch (IOException e) {
            log.error("Initialize Caffeine failed.", e);
        }
    }
}
           

當然也可以把 caffeine.properties 裡面的配置項放入配置中心，如果需要動态生效，可以通過如下方式：

至于是否利用 Spring 的 EL 表達式通過注解的方式使用，仁者見仁智者見智，筆者主要考慮三點：

一、EL 表達式上手需要學習成本；

二、引入注解需要注意動态代理失效場景；

擷取緩存時通過如下方式：

caffeineManager.getCache(cacheName).get(redisKey, value -> getTFromRedis(redisKey, targetClass, supplier));
           

Caffeine 這種帶有回源函數的 get 方法最終都是調用 ConcurrentHashMap 的 compute 方法，它能確定高并發場景下，如果對一個熱點 key 進行回源時，單個程序内隻有一個線程回源，其他都在阻塞。業務需要確定回源的方法耗時比較短，防止線程阻塞時間比較久，系統可用性下降。

筆者實際開發中用了 Caffeine 和 Redis 兩級緩存。Caffeine 的 cache 緩存 key 和 Redis 裡面一緻，都是命名為 redisKey。targetClass 是傳回對象類型，從 Redis 中擷取字元串反序列化成實際對象時使用。supplier 是函數式接口，是緩存回源到資料庫的業務邏輯。

getTFromRedis 方法實作如下：

private <T> T getTFromRedis(String redisKey, Class targetClass, Supplier supplier) {
    String data;
    T value;
    String redisValue = UUID.randomUUID().toString();
    if (tryGetDistributedLockWithRetry(redisKey + RedisKey.DISTRIBUTED_SUFFIX, redisValue, 30)) {
        try {
            data = getFromRedis(redisKey);
            if (StringUtils.isEmpty(data)) {
                value = (T) supplier.get();
                setToRedis(redisKey, JackSonParser.bean2Json(value));
            }
            else {
                value = json2Bean(targetClass, data);
            }
        }
        finally {
            releaseDistributedLock(redisKey + RedisKey.DISTRIBUTED_SUFFIX, redisValue);
        }
    }
    else {
        value = json2Bean(targetClass, getFromRedis(redisKey));
    }
    return value;
}
           

由于回源都是從 MySQL 查詢，雖然 Caffeine 本身解決了程序内同一個 key 隻有一個線程回源，需要注意多個業務節點的分布式情況下，如果 Redis 沒有緩存值，并發回源時會穿透到 MySQL ，是以回源時加了分布式鎖，保證隻有一個節點回源。

注意一點：從本地緩存擷取對象時，如果業務要對緩存對象做更新，需要深拷貝一份對象，不然并發場景下多個線程取值會互相影響。

筆者項目之前都是使用 Ehcache 作為本地緩存，切換成 Caffeine 後，涉及本地緩存的接口，同樣 TPS 值時，CPU 使用率能降低 10% 左右，接口性能都有一定程度提升，最多的提升了 25%。上線後觀察調用鍊，平均響應時間降低24%左右。

 四、總結

Caffeine 是目前比較優秀的本地緩存解決方案，通過使用 W-TinyLFU 算法，實作了緩存高命中率、記憶體低消耗。如果之前使用過 Guava Cache，看下接口名基本就能上手。如果之前使用的是 Ehcache，筆者分享的使用方式可以作為參考。

五、參考文獻

1. TinyLFU: A Highly Efficient Cache Admission Policy
2. Design Of A Modern Cache
3. Caffeine Github

作者：Zhang Zhenglin