Spring Cache 带你飞(二)

接着上一篇讲了 Spring Cache 如何被 Spring Aop 代理加载对应的代码，以及何如注入相关界面逻辑。

Spring Cache 带你飞(一)

本篇我们围绕两个要点展开：

  • 一个数据是如何被Spring Cache 放入缓存的。

  • Spring Cache 如何扩展存储源，即支持不同的缓存技术。

Spring Cache 的数据存储之路

Spring Cache 相关的注解有 5 个：

  • @Cacheable 在调用方法的同时能够根据方法的请求参数对结果进行缓存。
  • @CachePut 调用发放的同时进行 Cache 存储，作用于方法上。
  • @CacheEvict 删除，作用于方法上。
  • @Caching 用于处理复杂的缓存情况，一次性设置多个缓存，作用于方法上。
  • @CacheConfig 可以在类级别上标注一些公用的缓存属性，所有方法共享。
@Cacheable

@Cacheable 是我们最常使用的注解：


@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
@Documented
public @interface Cacheable {
    @AliasFor("cacheNames")
    String[] value() default {};

    @AliasFor("value")
    String[] cacheNames() default {};

    String key() default "";

    String keyGenerator() default "";

    String cacheManager() default "";

    String cacheResolver() default "";

    String condition() default "";

    String unless() default "";

    boolean sync() default false;
}

cacheNames 和 value 这两个属性任意使用一个都可以，它们的作用可以理解为 key 的前缀。

@Cacheable(value = "user:cache")
public User findById(String id) {
    User user = this.getById(id);
    if (user != null){
        System.out.println("user.name = " + user.getName());
    }
    return user;
}

key 和 keyGenerator 是互斥的一对。当指定了 key 的时候就会使用你指定的 key + 参数 作为缓存 key。否则则使用默认 keyGenerator(SimpleKeyGenerator)或者你自定义的 Generator 来生成 key。

默认的 SimpleKeyGenerator 通过源码我们能看到它的生成规则：

public static Object generateKey(Object... params) {
		if (params.length == 0) {
			return SimpleKey.EMPTY;
		}
		if (params.length == 1) {
			Object param = params[0];
			if (param != null && !param.getClass().isArray()) {
				return param;
			}
		}
		return new SimpleKey(params);
	}
  • 如果方法没有入参则抛异常，即必须要有入参才能构建 key；
  • 如果只有一个入参，则使用该入参作为 key=入参值。
  • 如果有多个入参则返回包含所有入参的构造函数 new SimpleKey(params)。

Spring 官方推荐使用显式指定 key 的方式来生成 key。当然你也可以通过自定义 KeyGenerator 来实现自己制定规则的 key 生成方式，只需要实现 KeyGenerator 接口即可。

注意 key 属性为 spEL 表达式，如果要写字符串需要将该字符串用单引号括起来。比如我们有如下配置：

@Cacheable(cacheNames = "userInfo", key = "'p_'+ #name")
public String getName(String name) {
    return "hello:" + name;
}

假设 name = xiaoming，那么缓存的 key = userInfo::p_xiaoming。

condition 参数的作用是限定存储条件：

@Cacheable(cacheNames = "userInfo", key = "'p_'+ #name",condition = "#sex == 1")
public String getName(String name, int sex) {
    return "hello:" + name;
}

上例限制条件为 sex == 1 的时候才写入缓存，否则不走缓存。

unless 参数跟 condition 参数相反，作用是当不满足某个条件的时候才写入缓存。

sync 字段上一篇说过，多线程情况下并发更新的情况是否只需要一个线程更新即可。

还有个属性 cacheManager 比较大头放在后面单独说，从命名上能看出它是 cache 的管理者，即指定当前 Cache 使用何种 Cache 配置，比如是 Redis 还是 local Cache 等等。这也是我们这一篇要讨论的重点。

@CacheConfig

CacheConfig 注解包含以下配置：

@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface CacheConfig {
    String[] cacheNames() default {};

    String keyGenerator() default "";

    String cacheManager() default "";

    String cacheResolver() default "";
}

如果你在一个类中使用多个 Cache 注解，并且这些 Cache 注解有公共的基础操作，比如：使用相同的 Cache key 生成规则，使用相同的 Cache Name 前缀等等，那么你就可以定义一个 CacheConfig 来统一单独管理这些 Cache 操作。

@CacheConfig(cacheNames = "user")
public class UserService {

    @Cacheable(key = "#userInfoDTO.uid")
    public GirgirUser.UserInfo getUser(UserInfoDTO userInfoDTO) {
        return xxx;
    }


    @Cacheable(key = "'base_' + #userInfoDTO.uid")
    public GirgirUser.UserInfo getBaseUser(UserInfoDTO userInfoDTO) {
        return xxx;
    }
}

上面示例中的 两个 Cache Key 都会有一个公共前缀 ”user“。需要注意的是：CacheConfig 注解的优先级高于同类当中别的注解，如果你在 CacheConfig 中配置了 cacheNames，方法中也配置了，那么 CacheConfig 中的 cacheNames 会覆盖掉方法上的配置。

@Caching

@Caching 注解适用于复杂缓存操作的场景，当你有多个缓存操作的需求，比如下例：你需要先删除就缓存，再插入新数据到缓存：

@Caching(evict = @CacheEvict(key = "'base' + #userInfoDTO.uid"),
         put = @CachePut(key = "'base' + #userInfoDTO.uid"))
public GirgirUser.UserInfo getBaseUser(UserInfoDTO userInfoDTO) {
  return xxx;
}

那么你可以使用 @Caching 注解来操作多个缓存。

注解的使用就说到这里，其余几个注解的配置基本同 @Cacheable 差不多，剩下的大家可以自己学习。接下来我们要说的重点来了：待缓存的数据到底是如何被存储起来的。Spring Cache 如何知道当前要使用的数据源。

Spring EL 对 Cache 的支持

Name Location Description Example
methodName Root object 被调用的方法的名称 #root.methodName
method Root object 被调用的方法 #root.method.name
target Root object 当前调用方法的对象 #root.target
targetClass Root object 当前调用方法的类 #root.targetClass
args Root object 当前方法的参数 #root.args[0]
caches Root object 当前方法的缓存集合 #root.caches[0].name
Argument name Evaluation context 当前方法的参数名称 #iban or #a0 (you can also use #p0 or #p<#arg> notation as an alias).
result Evaluation context 方法返回的结果(要缓存的值)。只有在 unless 、@CachePut(用于计算键)或@CacheEvict(beforeInvocation=false)中才可用.对于支持的包装器(例如Optional)，#result引用的是实际对象，而不是包装器 #result

Spring Cache 数据源配置

Spring 在 application.yml 中提供配置文件支持，通过配置 spring.cache.type 标签来指定当前要使用的存储方案，目前支持的有：

public enum CacheType {
    GENERIC,
    JCACHE,
    EHCACHE,
    HAZELCAST,
    INFINISPAN,
    COUCHBASE,
    REDIS,
    CAFFEINE,
    SIMPLE,
    NONE;

    private CacheType() {
    }
}

使用的时候需要引入相关存储对应的 jar 包以及相关的配置。

Java Caching 定义了 5 个核心接口，分别是 CachingProvider, CacheManager, Cache, Entry和 Expiry

  • CachingProvider 用于配置和管理 CacheManager，目前它只有一个唯一的实现类 EhcacheCachingProvider，ehcache 也是 Spring 默认提供的实现之一。其余的第三方缓存组件都没有用到。
  • CacheManager 定义了创建、配置、获取、管理和控制多个唯一命名的 Cache，这些 Cache 存在于 CacheManager 的上下文中。一个 CacheManager 仅被一个 CachingProvider 所拥有。
  • Cache 是一个类似 Map 的数据结构并临时存储以 Key 为索引的值。一个 Cache 仅被一个 CacheManager 所拥有。
  • Entry是一个存储在 Cache 中的 key-value 对。
  • Expiry 每一个存储在 Cache 中的条目有一个定义的有效期。一旦超过这个时间，条目为过期的状态。一旦过期，条目将不可访问、更新和删除。缓存有效期可以通过 ExpiryPolicy 设置。

Spring 定义了org.springframework.cache.CacheManager和org.springframework.cache.Cache接口来统一不同的缓存技术。其中，CacheManager 是 Spring 提供的各种缓存技术抽象接口，Cache 接口包含了缓存的各种操作。

针对不同的缓存方案需要提供不同的 CacheManager，Spring提供的实现类包括：

  • SimpleCacheManager：使用检点的 Collection 来存储缓存，主要用来测试
  • ConcurrentMapCacheManager：使用 ConcurrentMap 来存储缓存
  • NoOpCacheManager：仅测试用途，不会实际存储缓存
  • EhCacheManager：使用 EhCache 作为缓存技术
  • GuavaCacheManager：使用 Google Guava 的 GuavaCache 作为缓存技术
  • HazelcastCacheManager：使用 Hazelcast 作为缓存技术
  • JCacheManager：支持 JCache（JSR—107）标准的实现作为缓存技术
  • RedisCacheManager：使用 Redis 作为缓存技术

CacheManager 的加载来自于 spring.factories 文件中的配置：org.springframework.boot.autoconfigure.cache.CacheAutoConfiguration，即在 Spring启动的时候加载：

@Configuration
@ConditionalOnClass(CacheManager.class)
@ConditionalOnBean(CacheAspectSupport.class)
@ConditionalOnMissingBean(value = CacheManager.class, name = "cacheResolver")
@EnableConfigurationProperties(CacheProperties.class)
@AutoConfigureBefore(HibernateJpaAutoConfiguration.class)
@AutoConfigureAfter({ CouchbaseAutoConfiguration.class, HazelcastAutoConfiguration.class,
		RedisAutoConfiguration.class })
@Import(CacheConfigurationImportSelector.class)
public class CacheAutoConfiguration {
    
 	......   
}

那不同的存储实现是如何加载各自的 CacheManger 的呢？我们就拿 Redis 来说，在配置类：

@Configuration
@AutoConfigureAfter({RedisAutoConfiguration.class})
@ConditionalOnBean({RedisConnectionFactory.class})
@ConditionalOnMissingBean({CacheManager.class})
@Conditional({CacheCondition.class})
class RedisCacheConfiguration {
 ...... 
   
    @Bean
    public RedisCacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory, ResourceLoader resourceLoader) {
        RedisCacheManagerBuilder builder = RedisCacheManager.builder(redisConnectionFactory).cacheDefaults(this.determineConfiguration(resourceLoader.getClassLoader()));
        List<String> cacheNames = this.cacheProperties.getCacheNames();
        if (!cacheNames.isEmpty()) {
            builder.initialCacheNames(new LinkedHashSet(cacheNames));
        }

        return (RedisCacheManager)this.customizerInvoker.customize(builder.build());
    }
  ......
}

Redis 的配置类启动的时候先检查 CacheManager 是否有加载成功，有的话则去执行各种配置相关操作。上面代码截出来了初始化 RedisCacheManager 的步骤。RedisCacheManager 实现了 CacheManager 接口。

当使用 RedisCacheManager 进行存储的时候，通过被包装的 Cache 对象来使用相关的存储操作，我们看一下 RedisCache 对应的操作：

public class RedisCache extends AbstractValueAdaptingCache {
  	......
    public synchronized <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader) {
        ValueWrapper result = this.get(key);
        if (result != null) {
            return result.get();
        } else {
            T value = valueFromLoader(key, valueLoader);
            this.put(key, value);
            return value;
        }
    }

    public void put(Object key, @Nullable Object value) {
        Object cacheValue = this.preProcessCacheValue(value);
        if (!this.isAllowNullValues() && cacheValue == null) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("Cache '%s' does not allow 'null' values. Avoid storing null via '@Cacheable(unless=\"#result == null\")' or configure RedisCache to allow 'null' via RedisCacheConfiguration.", this.name));
        } else {
            this.cacheWriter.put(this.name, this.createAndConvertCacheKey(key), this.serializeCacheValue(cacheValue), this.cacheConfig.getTtl());
        }
    }
    ......

}

可以看到 Redis 的存储使用的是普通的 KV 结构，value 的序列化方式是 yml 文件中的配置。另外很重要的一点是 ttl 的配置，这里能看到也是获取配置文件的属性。所以当你想给每个 key 单独设置过期时间的话就不能使用默认的 Redis 配置。而是需要自己实现 CacheManager。

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