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注释驱动的 Spring cache 缓存介绍

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概述

Spring 3.1 引入了激动人心的基于注释(annotation)的缓存(cache)技术,它本质上不是一个具体的缓存实现方案(例如 EHCache 或者 OSCache),而是一个对缓存使用的抽象,通过在既有代码中添加少量它定义的各种 annotation,即能够达到缓存方法的返回对象的效果。

Spring 的缓存技术还具备相当的灵活性,不仅能够使用 SpEL(Spring Expression Language)来定义缓存的 key 和各种 condition,还提供开箱即用的缓存临时存储方案,也支持和主流的专业缓存例如 EHCache 集成。

其特点总结如下:

  • 通过少量的配置 annotation 注释即可使得既有代码支持缓存
  • 支持开箱即用 Out-Of-The-Box,即不用安装和部署额外第三方组件即可使用缓存
  • 支持 Spring Express Language,能使用对象的任何属性或者方法来定义缓存的 key 和 condition
  • 支持 AspectJ,并通过其实现任何方法的缓存支持
  • 支持自定义 key 和自定义缓存管理者,具有相当的灵活性和扩展性

本文将针对上述特点对 Spring cache 进行详细的介绍,主要通过一个简单的例子和原理介绍展开,然后我们将一起看一个比较实际的缓存例子,最后会介绍 spring cache 的使用限制和注意事项。OK,Let ’ s begin!

原来我们是怎么做的

这里先展示一个完全自定义的缓存实现,即不用任何第三方的组件来实现某种对象的内存缓存。

场景是:对一个账号查询方法做缓存,以账号名称为 key,账号对象为 value,当以相同的账号名称查询账号的时候,直接从缓存中返回结果,否则更新缓存。账号查询服务还支持 reload 缓存(即清空缓存)。

首先定义一个实体类:账号类,具备基本的 id 和 name 属性,且具备 getter 和 setter 方法

清单 1. Account.java
 package cacheOfAnno; 

 public class Account { 
   private int id; 
   private String name; 
  
   public Account(String name) { 
     this.name = name; 
   } 
   public int getId() { 
     return id; 
   } 
   public void setId(int id) { 
     this.id = id; 
   } 
   public String getName() { 
     return name; 
   } 
   public void setName(String name) { 
     this.name = name; 
   } 
 }

然后定义一个缓存管理器,这个管理器负责实现缓存逻辑,支持对象的增加、修改和删除,支持值对象的泛型。如下:

清单 2. MyCacheManager.java
 package oldcache; 

 import java.util.Map; 
 import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; 

 public class MyCacheManager<T> { 
   private Map<String,T> cache = 
       new ConcurrentHashMap<String,T>(); 
  
   public T getValue(Object key) { 
     return cache.get(key); 
   } 
  
   public void addOrUpdateCache(String key,T value) { 
     cache.put(key, value); 
   } 
  
   public void evictCache(String key) {// 根据 key 来删除缓存中的一条记录
     if(cache.containsKey(key)) { 
       cache.remove(key); 
     } 
   } 
  
   public void evictCache() {// 清空缓存中的所有记录
     cache.clear(); 
   } 
 }

好,现在我们有了实体类和一个缓存管理器,还需要一个提供账号查询的服务类,此服务类使用缓存管理器来支持账号查询缓存,如下:

清单 3. MyAccountService.java
 package oldcache; 

 import cacheOfAnno.Account; 

 public class MyAccountService { 
   private MyCacheManager<Account> cacheManager; 
  
   public MyAccountService() { 
     cacheManager = new MyCacheManager<Account>();// 构造一个缓存管理器
   } 
  
   public Account getAccountByName(String acctName) { 
     Account result = cacheManager.getValue(acctName);// 首先查询缓存
     if(result!=null) { 
       System.out.println("get from cache..."+acctName); 
       return result;// 如果在缓存中,则直接返回缓存的结果
     } 
     result = getFromDB(acctName);// 否则到数据库中查询
     if(result!=null) {// 将数据库查询的结果更新到缓存中
       cacheManager.addOrUpdateCache(acctName, result); 
     } 
     return result; 
   } 
  
   public void reload() { 
     cacheManager.evictCache(); 
   } 
  
   private Account getFromDB(String acctName) { 
     System.out.println("real querying db..."+acctName); 
     return new Account(acctName); 
   } 
 }

现在我们开始写一个测试类,用于测试刚才的缓存是否有效

清单 4. Main.java
 package oldcache; 

 public class Main { 

   public static void main(String[] args) { 
     MyAccountService s = new MyAccountService(); 
     // 开始查询账号
     s.getAccountByName("somebody");// 第一次查询,应该是数据库查询
     s.getAccountByName("somebody");// 第二次查询,应该直接从缓存返回
    
     s.reload();// 重置缓存
     System.out.println("after reload..."); 
    
     s.getAccountByName("somebody");// 应该是数据库查询
     s.getAccountByName("somebody");// 第二次查询,应该直接从缓存返回
    
   } 

 }

按照分析,执行结果应该是:首先从数据库查询,然后直接返回缓存中的结果,重置缓存后,应该先从数据库查询,然后返回缓存中的结果,实际的执行结果如下:

清单 5. 运行结果
 real querying db...somebody// 第一次从数据库加载
 get from cache...somebody// 第二次从缓存加载
 after reload...// 清空缓存
 real querying db...somebody// 又从数据库加载
 get from cache...somebody// 从缓存加载

可以看出我们的缓存起效了,但是这种自定义的缓存方案有如下劣势:

  • 缓存代码和业务代码耦合度太高,如上面的例子,AccountService 中的 getAccountByName()方法中有了太多缓存的逻辑,不便于维护和变更
  • 不灵活,这种缓存方案不支持按照某种条件的缓存,比如只有某种类型的账号才需要缓存,这种需求会导致代码的变更
  • 缓存的存储这块写的比较死,不能灵活的切换为使用第三方的缓存模块

如果你的代码中有上述代码的影子,那么你可以考虑按照下面的介绍来优化一下你的代码结构了,也可以说是简化,你会发现,你的代码会变得优雅的多!

Hello World,注释驱动的 Spring Cache

Hello World 的实现目标

本 Hello World 类似于其他任何的 Hello World 程序,从最简单实用的角度展现 spring cache 的魅力,它基于刚才自定义缓存方案的实体类 Account.java,重新定义了 AccountService.java 和测试类 Main.java(注意这个例子不用自己定义缓存管理器,因为 spring 已经提供了缺省实现)

需要的 jar 包

为了实用 spring cache 缓存方案,在工程的 classpath 必须具备下列 jar 包。

图 1. 工程依赖的 jar 包图
图 1. 工程依赖的 jar 包图

注意这里我引入的是最新的 spring 3.2.0.M1 版本 jar 包,其实只要是 spring 3.1 以上,都支持 spring cache。其中 spring-context-*.jar 包含了 cache 需要的类。

定义实体类、服务类和相关配置文件

实体类就是上面自定义缓存方案定义的 Account.java,这里重新定义了服务类,如下:

清单 6. AccountService.java
 package cacheOfAnno; 

 import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict; 
 import org.springframework.cache.annotation.Cacheable; 

 public class AccountService { 
   @Cacheable(value="accountCache")// 使用了一个缓存名叫 accountCache 
   public Account getAccountByName(String userName) { 
     // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
     System.out.println("real query account."+userName); 
     return getFromDB(userName); 
   } 
  
   private Account getFromDB(String acctName) { 
     System.out.println("real querying db..."+acctName); 
     return new Account(acctName); 
   } 
 }

注意,此类的 getAccountByName 方法上有一个注释 annotation,即 @Cacheable(value=”accountCache”),这个注释的意思是,当调用这个方法的时候,会从一个名叫 accountCache 的缓存中查询,如果没有,则执行实际的方法(即查询数据库),并将执行的结果存入缓存中,否则返回缓存中的对象。这里的缓存中的 key 就是参数 userName,value 就是 Account 对象。“accountCache”缓存是在 spring*.xml 中定义的名称。

好,因为加入了 spring,所以我们还需要一个 spring 的配置文件来支持基于注释的缓存

清单 7. Spring-cache-anno.xml
 <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" 
 xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
   xmlns:cache="http://www.springframework.org/schema/cache"
	xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"
   xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans 
   http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd 
     http://www.springframework.org/schema/cache 
     http://www.springframework.org/schema/cache/spring-cache.xsd"> 
    
   <cache:annotation-driven />

   <bean id="accountServiceBean" class="cacheOfAnno.AccountService"/> 
 
    <!-- generic cache manager --> 
   <bean id="cacheManager" 
   class="org.springframework.cache.support.SimpleCacheManager">
     <property name="caches"> 
       <set> 
         <bean 
           class="org.springframework.cache.concurrent.ConcurrentMapCacheFactoryBean"
           p:name="default" /> 
        
         <bean 
           class="org.springframework.cache.concurrent.ConcurrentMapCacheFactoryBean"
           p:name="accountCache" /> 
       </set> 
     </property> 
   </bean> 
 </beans>

注意这个 spring 配置文件有一个关键的支持缓存的配置项:<cache:annotation-driven />,这个配置项缺省使用了一个名字叫 cacheManager 的缓存管理器,这个缓存管理器有一个 spring 的缺省实现,即 org.springframework.cache.support.SimpleCacheManager,这个缓存管理器实现了我们刚刚自定义的缓存管理器的逻辑,它需要配置一个属性 caches,即此缓存管理器管理的缓存集合,除了缺省的名字叫 default 的缓存,我们还自定义了一个名字叫 accountCache 的缓存,使用了缺省的内存存储方案 ConcurrentMapCacheFactoryBean,它是基于 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 的一个内存缓存实现方案。

OK,现在我们具备了测试条件,测试代码如下:

清单 8. Main.java
 package cacheOfAnno; 

 import org.springframework.context.ApplicationContext; 
 import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext; 

 public class Main { 
   public static void main(String[] args) { 
     ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
        "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
    
     AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
     // 第一次查询,应该走数据库
     System.out.print("first query..."); 
     s.getAccountByName("somebody"); 
     // 第二次查询,应该不查数据库,直接返回缓存的值
     System.out.print("second query..."); 
     s.getAccountByName("somebody"); 
     System.out.println(); 
   } 
 }

上面的测试代码主要进行了两次查询,第一次应该会查询数据库,第二次应该返回缓存,不再查数据库,我们执行一下,看看结果

清单 9. 执行结果
 first query...real query account.somebody// 第一次查询
 real querying db...somebody// 对数据库进行了查询
 second query...// 第二次查询,没有打印数据库查询日志,直接返回了缓存中的结果

可以看出我们设置的基于注释的缓存起作用了,而在 AccountService.java 的代码中,我们没有看到任何的缓存逻辑代码,只有一行注释:@Cacheable(value="accountCache"),就实现了基本的缓存方案,是不是很强大?

如何清空缓存

好,到目前为止,我们的 spring cache 缓存程序已经运行成功了,但是还不完美,因为还缺少一个重要的缓存管理逻辑:清空缓存,当账号数据发生变更,那么必须要清空某个缓存,另外还需要定期的清空所有缓存,以保证缓存数据的可靠性。

为了加入清空缓存的逻辑,我们只要对 AccountService.java 进行修改,从业务逻辑的角度上看,它有两个需要清空缓存的地方

  • 当外部调用更新了账号,则我们需要更新此账号对应的缓存
  • 当外部调用说明重新加载,则我们需要清空所有缓存
清单 10. AccountService.java
 package cacheOfAnno; 

 import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict; 
 import org.springframework.cache.annotation.Cacheable; 

 public class AccountService { 
   @Cacheable(value="accountCache")// 使用了一个缓存名叫 accountCache 
   public Account getAccountByName(String userName) { 
     // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
     return getFromDB(userName); 
   } 
   @CacheEvict(value="accountCache",key="#account.getName()")// 清空 accountCache 缓存  public void updateAccount(Account account) {
     updateDB(account); 
   } 
  
   @CacheEvict(value="accountCache",allEntries=true)// 清空 accountCache 缓存
   public void reload() { 
   } 
  
   private Account getFromDB(String acctName) { 
     System.out.println("real querying db..."+acctName); 
     return new Account(acctName); 
   } 
  
   private void updateDB(Account account) { 
     System.out.println("real update db..."+account.getName()); 
   } 
  
 }
清单 11. Main.java
 package cacheOfAnno; 

 import org.springframework.context.ApplicationContext; 
 import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext; 


 public class Main { 

   public static void main(String[] args) { 
     ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
        "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
    
     AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
     // 第一次查询,应该走数据库
     System.out.print("first query..."); 
     s.getAccountByName("somebody"); 
     // 第二次查询,应该不查数据库,直接返回缓存的值
     System.out.print("second query..."); 
     s.getAccountByName("somebody"); 
     System.out.println(); 
    
     System.out.println("start testing clear cache...");    // 更新某个记录的缓存,首先构造两个账号记录,然后记录到缓存中
     Account account1 = s.getAccountByName("somebody1"); 
     Account account2 = s.getAccountByName("somebody2"); 
     // 开始更新其中一个    account1.setId(1212);
     s.updateAccount(account1); 
     s.getAccountByName("somebody1");// 因为被更新了,所以会查询数据库    s.getAccountByName("somebody2");// 没有更新过,应该走缓存    s.getAccountByName("somebody1");// 再次查询,应该走缓存    // 更新所有缓存
     s.reload(); 
     s.getAccountByName("somebody1");// 应该会查询数据库    s.getAccountByName("somebody2");// 应该会查询数据库    s.getAccountByName("somebody1");// 应该走缓存    s.getAccountByName("somebody2");// 应该走缓存
   } 
 }
清单 12. 运行结果
 first query...real querying db...somebody 
 second query... 
 start testing clear cache... 
 real querying db...somebody1 
 real querying db...somebody2 
 real update db...somebody1 
 real querying db...somebody1 
 real querying db...somebody1 
 real querying db...somebody2

结果和我们期望的一致,所以,我们可以看出,spring cache 清空缓存的方法很简单,就是通过 @CacheEvict 注释来标记要清空缓存的方法,当这个方法被调用后,即会清空缓存。注意其中一个 @CacheEvict(value=”accountCache”,key=”#account.getName()”),其中的 Key 是用来指定缓存的 key 的,这里因为我们保存的时候用的是 account 对象的 name 字段,所以这里还需要从参数 account 对象中获取 name 的值来作为 key,前面的 # 号代表这是一个 SpEL 表达式,此表达式可以遍历方法的参数对象,具体语法可以参考 Spring 的相关文档手册。

如何按照条件操作缓存

前面介绍的缓存方法,没有任何条件,即所有对 accountService 对象的 getAccountByName 方法的调用都会起动缓存效果,不管参数是什么值,如果有一个需求,就是只有账号名称的长度小于等于 4 的情况下,才做缓存,大于 4 的不使用缓存,那怎么实现呢?

Spring cache 提供了一个很好的方法,那就是基于 SpEL 表达式的 condition 定义,这个 condition 是 @Cacheable 注释的一个属性,下面我来演示一下

清单 13. AccountService.java(getAccountByName 方法修订,支持条件)
 @Cacheable(value="accountCache",condition="#userName.length() <= 4")// 缓存名叫 accountCache 
 public Account getAccountByName(String userName) { 
 // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
 return getFromDB(userName); 
 }

注意其中的 condition=”#userName.length() <=4”,这里使用了 SpEL 表达式访问了参数 userName 对象的 length() 方法,条件表达式返回一个布尔值,true/false,当条件为 true,则进行缓存操作,否则直接调用方法执行的返回结果。

清单 14. 测试方法
 s.getAccountByName("somebody");// 长度大于 4,不会被缓存
 s.getAccountByName("sbd");// 长度小于 4,会被缓存
 s.getAccountByName("somebody");// 还是查询数据库
 s.getAccountByName("sbd");// 会从缓存返回
清单 15. 运行结果
 real querying db...somebody 
 real querying db...sbd 
 real querying db...somebody

可见对长度大于 4 的账号名 (somebody) 没有缓存,每次都查询数据库。

如果有多个参数,如何进行 key 的组合

假设 AccountService 现在有一个需求,要求根据账号名、密码和是否发送日志查询账号信息,很明显,这里我们需要根据账号名、密码对账号对象进行缓存,而第三个参数“是否发送日志”对缓存没有任何影响。所以,我们可以利用 SpEL 表达式对缓存 key 进行设计

清单 16. Account.java(增加 password 属性)
 private String password; 
 public String getPassword() { 
   return password; 
 } 
 public void setPassword(String password) { 
   this.password = password; 
 }
清单 17. AccountService.java(增加 getAccount 方法,支持组合 key)
 @Cacheable(value="accountCache",key="#userName.concat(#password)") 
 public Account getAccount(String userName,String password,boolean sendLog) { 
   // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
   return getFromDB(userName,password); 
  
 }

注意上面的 key 属性,其中引用了方法的两个参数 userName 和 password,而 sendLog 属性没有考虑,因为其对缓存没有影响。

清单 18. Main.java
 public static void main(String[] args) { 
   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
      "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
  
   AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
   s.getAccount("somebody", "123456", true);// 应该查询数据库
   s.getAccount("somebody", "123456", true);// 应该走缓存
   s.getAccount("somebody", "123456", false);// 应该走缓存
   s.getAccount("somebody", "654321", true);// 应该查询数据库
   s.getAccount("somebody", "654321", true);// 应该走缓存
 }

上述测试,是采用了相同的账号,不同的密码组合进行查询,那么一共有两种组合情况,所以针对数据库的查询应该只有两次。

清单 19. 运行结果
 real querying db...userName=somebody password=123456 
 real querying db...userName=somebody password=654321

和我们预期的一致。

如何做到:既要保证方法被调用,又希望结果被缓存

根据前面的例子,我们知道,如果使用了 @Cacheable 注释,则当重复使用相同参数调用方法的时候,方法本身不会被调用执行,即方法本身被略过了,取而代之的是方法的结果直接从缓存中找到并返回了。

现实中并不总是如此,有些情况下我们希望方法一定会被调用,因为其除了返回一个结果,还做了其他事情,例如记录日志,调用接口等,这个时候,我们可以用 @CachePut 注释,这个注释可以确保方法被执行,同时方法的返回值也被记录到缓存中。

清单 20. AccountService.java
 @Cacheable(value="accountCache")// 使用了一个缓存名叫 accountCache 
 public Account getAccountByName(String userName) { 
   // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
   return getFromDB(userName); 
 } 
 @CachePut(value="accountCache",key="#account.getName()")// 更新 accountCache 缓存
 public Account updateAccount(Account account) { 
   return updateDB(account); 
 } 
 private Account updateDB(Account account) { 
   System.out.println("real updating db..."+account.getName()); 
   return account; 
 }
清单 21. Main.java
 public static void main(String[] args) { 
   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
      "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
  
   AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
  
   Account account = s.getAccountByName("someone"); 
   account.setPassword("123"); 
   s.updateAccount(account); 
   account.setPassword("321"); 
   s.updateAccount(account); 
   account = s.getAccountByName("someone"); 
   System.out.println(account.getPassword()); 
 }

如上面的代码所示,我们首先用 getAccountByName 方法查询一个人 someone 的账号,这个时候会查询数据库一次,但是也记录到缓存中了。然后我们修改了密码,调用了 updateAccount 方法,这个时候会执行数据库的更新操作且记录到缓存,我们再次修改密码并调用 updateAccount 方法,然后通过 getAccountByName 方法查询,这个时候,由于缓存中已经有数据,所以不会查询数据库,而是直接返回最新的数据,所以打印的密码应该是“321”

清单 22. 运行结果
 real querying db...someone 
 real updating db...someone 
 real updating db...someone 
 321

和分析的一样,只查询了一次数据库,更新了两次数据库,最终的结果是最新的密码。说明 @CachePut 确实可以保证方法被执行,且结果一定会被缓存。

@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict 注释介绍

通过上面的例子,我们可以看到 spring cache 主要使用两个注释标签,即 @Cacheable、@CachePut 和 @CacheEvict,我们总结一下其作用和配置方法。

表 1. @Cacheable 作用和配置方法
@Cacheable 的作用 主要针对方法配置,能够根据方法的请求参数对其结果进行缓存
@Cacheable 主要的参数
value 缓存的名称,在 spring 配置文件中定义,必须指定至少一个 例如:
@Cacheable(value=”mycache”) 或者
@Cacheable(value={”cache1”,”cache2”}
key 缓存的 key,可以为空,如果指定要按照 SpEL 表达式编写,如果不指定,则缺省按照方法的所有参数进行组合 例如:
@Cacheable(value=”testcache”,key=”#userName”)
condition 缓存的条件,可以为空,使用 SpEL 编写,返回 true 或者 false,只有为 true 才进行缓存 例如:
@Cacheable(value=”testcache”,condition=”#userName.length()>2”)
表 2. @CachePut 作用和配置方法
@CachePut 的作用 主要针对方法配置,能够根据方法的请求参数对其结果进行缓存,和 @Cacheable 不同的是,它每次都会触发真实方法的调用
@CachePut 主要的参数
value 缓存的名称,在 spring 配置文件中定义,必须指定至少一个 例如:
@Cacheable(value=”mycache”) 或者
@Cacheable(value={”cache1”,”cache2”}
key 缓存的 key,可以为空,如果指定要按照 SpEL 表达式编写,如果不指定,则缺省按照方法的所有参数进行组合 例如:
@Cacheable(value=”testcache”,key=”#userName”)
condition 缓存的条件,可以为空,使用 SpEL 编写,返回 true 或者 false,只有为 true 才进行缓存 例如:
@Cacheable(value=”testcache”,condition=”#userName.length()>2”)
表 3. @CacheEvict 作用和配置方法
@CachEvict 的作用 主要针对方法配置,能够根据一定的条件对缓存进行清空
@CacheEvict 主要的参数
value 缓存的名称,在 spring 配置文件中定义,必须指定至少一个 例如:
@CachEvict(value=”mycache”) 或者
@CachEvict(value={”cache1”,”cache2”}
key 缓存的 key,可以为空,如果指定要按照 SpEL 表达式编写,如果不指定,则缺省按照方法的所有参数进行组合 例如:
@CachEvict(value=”testcache”,key=”#userName”)
condition 缓存的条件,可以为空,使用 SpEL 编写,返回 true 或者 false,只有为 true 才清空缓存 例如:
@CachEvict(value=”testcache”,
condition=”#userName.length()>2”)
allEntries 是否清空所有缓存内容,缺省为 false,如果指定为 true,则方法调用后将立即清空所有缓存 例如:
@CachEvict(value=”testcache”,allEntries=true)
beforeInvocation 是否在方法执行前就清空,缺省为 false,如果指定为 true,则在方法还没有执行的时候就清空缓存,缺省情况下,如果方法执行抛出异常,则不会清空缓存 例如:
@CachEvict(value=”testcache”,beforeInvocation=true)

基本原理

和 spring 的事务管理类似,spring cache 的关键原理就是 spring AOP,通过 spring AOP,其实现了在方法调用前、调用后获取方法的入参和返回值,进而实现了缓存的逻辑。我们来看一下下面这个图:

图 2. 原始方法调用图
图 2. 原始方法调用图
图 2. 原始方法调用图

上图显示,当客户端“Calling code”调用一个普通类 Plain Object 的 foo() 方法的时候,是直接作用在 pojo 类自身对象上的,客户端拥有的是被调用者的直接的引用。

而 Spring cache 利用了 Spring AOP 的动态代理技术,即当客户端尝试调用 pojo 的 foo()方法的时候,给他的不是 pojo 自身的引用,而是一个动态生成的代理类

图 3. 动态代理调用图
图 3. 动态代理调用图
图 3. 动态代理调用图

如上图所示,这个时候,实际客户端拥有的是一个代理的引用,那么在调用 foo() 方法的时候,会首先调用 proxy 的 foo() 方法,这个时候 proxy 可以整体控制实际的 pojo.foo() 方法的入参和返回值,比如缓存结果,比如直接略过执行实际的 foo() 方法等,都是可以轻松做到的。

扩展性

直到现在,我们已经学会了如何使用开箱即用的 spring cache,这基本能够满足一般应用对缓存的需求,但现实总是很复杂,当你的用户量上去或者性能跟不上,总需要进行扩展,这个时候你或许对其提供的内存缓存不满意了,因为其不支持高可用性,也不具备持久化数据能力,这个时候,你就需要自定义你的缓存方案了,还好,spring 也想到了这一点。

我们先不考虑如何持久化缓存,毕竟这种第三方的实现方案很多,我们要考虑的是,怎么利用 spring 提供的扩展点实现我们自己的缓存,且在不改原来已有代码的情况下进行扩展。

首先,我们需要提供一个 CacheManager 接口的实现,这个接口告诉 spring 有哪些 cache 实例,spring 会根据 cache 的名字查找 cache 的实例。另外还需要自己实现 Cache 接口,Cache 接口负责实际的缓存逻辑,例如增加键值对、存储、查询和清空等。利用 Cache 接口,我们可以对接任何第三方的缓存系统,例如 EHCache、OSCache,甚至一些内存数据库例如 memcache 或者 h2db 等。下面我举一个简单的例子说明如何做。

清单 23. MyCacheManager
 package cacheOfAnno; 

 import java.util.Collection; 

 import org.springframework.cache.support.AbstractCacheManager; 

 public class MyCacheManager extends AbstractCacheManager { 
   private Collection<? extends MyCache> caches; 
  
   /** 
   * Specify the collection of Cache instances to use for this CacheManager. 
   */ 
   public void setCaches(Collection<? extends MyCache> caches) { 
     this.caches = caches; 
   } 

   @Override 
   protected Collection<? extends MyCache> loadCaches() { 
     return this.caches; 
   } 

 }

上面的自定义的 CacheManager 实际继承了 spring 内置的 AbstractCacheManager,实际上仅仅管理 MyCache 类的实例。

清单 24. MyCache
 package cacheOfAnno; 

 import java.util.HashMap; 
 import java.util.Map; 

 import org.springframework.cache.Cache; 
 import org.springframework.cache.support.SimpleValueWrapper; 

 public class MyCache implements Cache { 
   private String name; 
   private Map<String,Account> store = new HashMap<String,Account>();; 
  
   public MyCache() { 
   } 
  
   public MyCache(String name) { 
     this.name = name; 
   } 
  
   @Override 
   public String getName() { 
     return name; 
   } 
  
   public void setName(String name) { 
     this.name = name; 
   } 

   @Override 
   public Object getNativeCache() { 
     return store; 
   } 

   @Override 
   public ValueWrapper get(Object key) { 
     ValueWrapper result = null; 
     Account thevalue = store.get(key); 
     if(thevalue!=null) { 
       thevalue.setPassword("from mycache:"+name); 
       result = new SimpleValueWrapper(thevalue); 
     } 
     return result; 
   } 

   @Override 
   public void put(Object key, Object value) { 
     Account thevalue = (Account)value; 
     store.put((String)key, thevalue); 
   } 

   @Override 
   public void evict(Object key) { 
   } 

   @Override 
   public void clear() { 
   } 
 }

上面的自定义缓存只实现了很简单的逻辑,但这是我们自己做的,也很令人激动是不是,主要看 get 和 put 方法,其中的 get 方法留了一个后门,即所有的从缓存查询返回的对象都将其 password 字段设置为一个特殊的值,这样我们等下就能演示“我们的缓存确实在起作用!”了。

这还不够,spring 还不知道我们写了这些东西,需要通过 spring*.xml 配置文件告诉它

清单 25. Spring-cache-anno.xml
 <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
   xmlns:cache="http://www.springframework.org/schema/cache"
   xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"  
   xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans 
   http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd 
     http://www.springframework.org/schema/cache 
     http://www.springframework.org/schema/cache/spring-cache.xsd"> 
    
   <cache:annotation-driven /> 

   <bean id="accountServiceBean" class="cacheOfAnno.AccountService"/> 
 
    <!-- generic cache manager --> 
   <bean id="cacheManager" class="cacheOfAnno.MyCacheManager">
     <property name="caches"> 
       <set> 
         <bean 
           class="cacheOfAnno.MyCache"
           p:name="accountCache" /> 
       </set> 
     </property> 
   </bean> 
  
 </beans>

注意上面配置文件的黑体字,这些配置说明了我们的 cacheManager 和我们自己的 cache 实例。

好,什么都不说,测试!

清单 26. Main.java
 public static void main(String[] args) { 
   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
      "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
  
   AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
  
   Account account = s.getAccountByName("someone"); 
   System.out.println("passwd="+account.getPassword()); 
   account = s.getAccountByName("someone"); 
   System.out.println("passwd="+account.getPassword()); 
 }

上面的测试代码主要是先调用 getAccountByName 进行一次查询,这会调用数据库查询,然后缓存到 mycache 中,然后我打印密码,应该是空的;下面我再次查询 someone 的账号,这个时候会从 mycache 中返回缓存的实例,记得上面的后门么?我们修改了密码,所以这个时候打印的密码应该是一个特殊的值

清单 27. 运行结果
 real querying db...someone 
 passwd=null 
 passwd=from mycache:accountCache

结果符合预期,即第一次查询数据库,且密码为空,第二次打印了一个特殊的密码。说明我们的 myCache 起作用了。

注意和限制

基于 proxy 的 spring aop 带来的内部调用问题

上面介绍过 spring cache 的原理,即它是基于动态生成的 proxy 代理机制来对方法的调用进行切面,这里关键点是对象的引用问题,如果对象的方法是内部调用(即 this 引用)而不是外部引用,则会导致 proxy 失效,那么我们的切面就失效,也就是说上面定义的各种注释包括 @Cacheable、@CachePut 和 @CacheEvict 都会失效,我们来演示一下。

清单 28. AccountService.java
 public Account getAccountByName2(String userName) { 
   return this.getAccountByName(userName); 
 } 

 @Cacheable(value="accountCache")// 使用了一个缓存名叫 accountCache 
 public Account getAccountByName(String userName) { 
   // 方法内部实现不考虑缓存逻辑,直接实现业务
   return getFromDB(userName); 
 }

上面我们定义了一个新的方法 getAccountByName2,其自身调用了 getAccountByName 方法,这个时候,发生的是内部调用(this),所以没有走 proxy,导致 spring cache 失效

清单 29. Main.java
 public static void main(String[] args) { 
   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
      "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
  
   AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
  
   s.getAccountByName2("someone"); 
   s.getAccountByName2("someone"); 
   s.getAccountByName2("someone"); 
 }
清单 30. 运行结果
 real querying db...someone 
 real querying db...someone 
 real querying db...someone

可见,结果是每次都查询数据库,缓存没起作用。要避免这个问题,就是要避免对缓存方法的内部调用,或者避免使用基于 proxy 的 AOP 模式,可以使用基于 aspectJ 的 AOP 模式来解决这个问题。

@CacheEvict 的可靠性问题

我们看到,@CacheEvict 注释有一个属性 beforeInvocation,缺省为 false,即缺省情况下,都是在实际的方法执行完成后,才对缓存进行清空操作。期间如果执行方法出现异常,则会导致缓存清空不被执行。我们演示一下

清单 31. AccountService.java
 @CacheEvict(value="accountCache",allEntries=true)// 清空 accountCache 缓存
 public void reload() { 
   throw new RuntimeException(); 
 }

注意上面的代码,我们在 reload 的时候抛出了运行期异常,这会导致清空缓存失败。

清单 32. Main.java
 public static void main(String[] args) { 
   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext( 
      "spring-cache-anno.xml");// 加载 spring 配置文件
  
   AccountService s = (AccountService) context.getBean("accountServiceBean"); 
  
   s.getAccountByName("someone"); 
   s.getAccountByName("someone"); 
   try { 
     s.reload(); 
   } catch (Exception e) { 
   } 
   s.getAccountByName("someone"); 
 }

上面的测试代码先查询了两次,然后 reload,然后再查询一次,结果应该是只有第一次查询走了数据库,其他两次查询都从缓存,第三次也走缓存因为 reload 失败了。

清单 33. 运行结果
 real querying db...someone

和预期一样。那么我们如何避免这个问题呢?我们可以用 @CacheEvict 注释提供的 beforeInvocation 属性,将其设置为 true,这样,在方法执行前我们的缓存就被清空了。可以确保缓存被清空。

清单 34. AccountService.java
 @CacheEvict(value="accountCache",allEntries=true,beforeInvocation=true)
 // 清空 accountCache 缓存
 public void reload() { 
   throw new RuntimeException(); 
 }

注意上面的代码,我们在 @CacheEvict 注释中加了 beforeInvocation 属性,确保缓存被清空。

执行相同的测试代码

清单 35. 运行结果
 real querying db...someone 
 real querying db...someone

这样,第一次和第三次都从数据库取数据了,缓存清空有效。

非 public 方法问题

和内部调用问题类似,非 public 方法如果想实现基于注释的缓存,必须采用基于 AspectJ 的 AOP 机制,这里限于篇幅不再细述。

其他技巧

Dummy CacheManager 的配置和作用

有的时候,我们在代码迁移、调试或者部署的时候,恰好没有 cache 容器,比如 memcache 还不具备条件,h2db 还没有装好等,如果这个时候你想调试代码,岂不是要疯掉?这里有一个办法,在不具备缓存条件的时候,在不改代码的情况下,禁用缓存。

方法就是修改 spring*.xml 配置文件,设置一个找不到缓存就不做任何操作的标志位,如下

清单 36. Spring-cache-anno.xml
 <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" 
 xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
   xmlns:cache="http://www.springframework.org/schema/cache"
   xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"  
   xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
    http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd 
     http://www.springframework.org/schema/cache 
     http://www.springframework.org/schema/cache/spring-cache.xsd"> 
    
   <cache:annotation-driven /> 

   <bean id="accountServiceBean" class="cacheOfAnno.AccountService"/> 
 
    <!-- generic cache manager --> 
   <bean id="simpleCacheManager" 
   class="org.springframework.cache.support.SimpleCacheManager"> 
     <property name="caches"> 
       <set> 
         <bean 
           class="org.springframework.cache.concurrent.ConcurrentMapCacheFactoryBean"
           p:name="default" /> 
       </set> 
     </property> 
   </bean> 
  
   <!-- dummy cacheManager  --> 
   <bean id="cacheManager" 
   class="org.springframework.cache.support.CompositeCacheManager">
     <property name="cacheManagers"> 
       <list> 
         <ref bean="simpleCacheManager" /> 
       </list> 
     </property> 
     <property name="fallbackToNoOpCache" value="true" /> 
   </bean> 
  
 </beans>

注意以前的 cacheManager 变为了 simpleCacheManager,且没有配置 accountCache 实例,后面的 cacheManager 的实例是一个 CompositeCacheManager,他利用了前面的 simpleCacheManager 进行查询,如果查询不到,则根据标志位 fallbackToNoOpCache 来判断是否不做任何缓存操作。

清单 37. 运行结果
 real querying db...someone 
 real querying db...someone 
 real querying db...someone

可以看出,缓存失效。每次都查询数据库。因为我们没有配置它需要的 accountCache 实例。

如果将上面 xml 配置文件的 fallbackToNoOpCache 设置为 false,再次运行,则会得到

清单 38. 运行结果
 Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: 
   Cannot find cache named [accountCache] for CacheableOperation 
     [public cacheOfAnno.Account 
     cacheOfAnno.AccountService.getAccountByName(java.lang.String)]
     caches=[accountCache] | condition='' | key=''

可见,在找不到 accountCache,且没有将 fallbackToNoOpCache 设置为 true 的情况下,系统会抛出异常。

小结

总之,注释驱动的 spring cache 能够极大的减少我们编写常见缓存的代码量,通过少量的注释标签和配置文件,即可达到使代码具备缓存的能力。且具备很好的灵活性和扩展性。但是我们也应该看到,spring cache 由于急于 spring AOP 技术,尤其是动态的 proxy 技术,导致其不能很好的支持方法的内部调用或者非 public 方法的缓存设置,当然这都是可以解决的问题,通过学习这个技术,我们能够认识到,AOP 技术的应用还是很广泛的,如果有兴趣,我相信你也能基于 AOP 实现自己的缓存方案。


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Zone=Open source, Java technology
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ArticleTitle=注释驱动的 Spring cache 缓存介绍
publish-date=03152013