多级缓存入门

小吴在敲Bug2023-10-25 14:30

文章目录

什么是多级缓存

传统的缓存策略一般是请求到达Tomcat后，先查询Redis，如果未命中则查询数据库，如图：

存在下面的问题：

  • 请求要经过Tomcat处理，Tomcat的性能成为整个系统的瓶颈
  • Redis缓存失效时，会对数据库产生冲击

多级缓存就是充分利用请求处理的每个环节，分别添加缓存，减轻Tomcat压力，提升服务性能：

  • 浏览器访问静态资源时，优先读取浏览器本地缓存
  • 访问非静态资源（ajax查询数据）时，访问服务端
  • 请求到达Nginx后，优先读取Nginx本地缓存
  • 如果Nginx本地缓存未命中，则去直接查询Redis（不经过Tomcat）
  • 如果Redis查询未命中，则查询Tomcat
  • 请求进入Tomcat后，优先查询JVM进程缓存
  • 如果JVM进程缓存未命中，则查询数据库

在多级缓存架构中，Nginx内部需要编写本地缓存查询、Redis查询、Tomcat查询的业务逻辑，因此这样的nginx服务不再是一个 反向代理服务器 ，而是一个编写 业务的Web服务器了

因此这样的业务Nginx服务也需要搭建集群来提高并发，再有专门的nginx服务来做反向代理，如图：

另外，我们的Tomcat服务将来也会部署为集群模式：

可见，多级缓存的关键有两个：

  • 一个是在nginx中编写业务，实现nginx本地缓存、Redis、Tomcat的查询
  • 另一个就是在Tomcat中实现JVM进程缓存

其中Nginx编程则会用到OpenResty框架结合Lua这样的语言

JVM进程缓存

环境准备

课前资料

安装MySQL

后期做数据同步需要用到MySQL的主从功能，所以在虚拟机中，利用Docker来运行一个MySQL容器

  • 为了方便后期配置MySQL，我们先准备两个目录，用于挂载容器的数据和配置文件目录：

    java 复制代码 
    # 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建文件夹
mkdir mysql
# 进入mysql目录
cd mysql

  • 进入mysql目录后，执行下面的Docker命令：

    java 复制代码 
    docker run \
 -p 3306:3306 \
 --name mysql \
 -v $PWD/conf:/etc/mysql/conf.d \
 -v $PWD/logs:/logs \
 -v $PWD/data:/var/lib/mysql \
 -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123 \
 --privileged \
 -d \
 mysql:5.7.25

  • 在/tmp/mysql/conf目录添加一个my.cnf文件，作为mysql的配置文件：

    java 复制代码 
    # 创建文件
touch /tmp/mysql/conf/my.cnf

#文件内容如下
[mysqld]
skip-name-resolve	#跳过域名简析
character_set_server=utf8 #字符编码
datadir=/var/lib/mysql	#指定数据库的目录
server-id=1000		#数据库的服务ID

  • 重启容器： docker restart mysql

  • 接下来，利用Navicat客户端连接MySQL，然后导入课前资料提供的sql文件：

其中包含两张表：

  • tb_item：商品表，包含商品的基本信息
  • tb_item_stock：商品库存表，包含商品的库存信息

之所以将库存分离出来，是因为库存是更新比较频繁的信息，写操作较多。而其他信息修改的频率非常低

导入Demo工程

下面导入课前资料提供的工程：

项目结构如图所示：

其中的业务包括：

  • 分页查询商品
  • 新增商品
  • 修改商品
  • 修改库存
  • 删除商品
  • 根据id查询商品
  • 根据id查询库存

业务全部使用mybatis-plus来实现，如有需要请自行修改业务逻辑

导入商品查询页面

商品查询是购物页面，与商品管理的页面是分离的

我们需要准备一个反向代理的nginx服务器，如上图红框所示，将静态的商品页面放到nginx目录中

页面需要的数据通过ajax向服务端（nginx业务集群）查询

我们找到课前资料的nginx目录：将其拷贝到一个非中文目录下，运行这个nginx服务

运行命令：start nginx.exe

然后访问 http://localhost/item.html?id=10001即可：

现在，页面是假数据展示的。我们需要向服务器发送ajax请求，查询商品数据

打开控制台，可以看到页面有发起ajax查询数据：

而这个请求地址同样是80端口，所以被当前的nginx反向代理了

查看nginx的conf目录下的nginx.conf文件：

文件内容：

java 复制代码 
#user  nobody;
worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    sendfile        on;
    #tcp_nopush     on;
    keepalive_timeout  65;

	# nginx的业务集群，nginx本地缓存、redis缓存、tomcat查询
    upstream nginx-cluster{
        server 192.168.1.10:8081;
    }
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

		location /api {
            proxy_pass http://nginx-cluster;		# 监听/api路径，方向代理到nginx-cluster集群
        }

        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
        }

        error_page   500 502 503 504  /50x.html;
        location = /50x.html {
            root   html;
        }
    }
}

初识Caffeine

缓存在日常开发中启动至关重要的作用，由于是存储在内存中，数据的读取速度是非常快的，能大量减少对数据库的访问，减少数据库的压力。我们把缓存分为两类：

  • 分布式缓存，例如Redis：
    • 优点：存储容量更大、可靠性更好、可以在集群间共享
    • 缺点：访问缓存有网络开销
    • 场景：缓存数据量较大、可靠性要求较高、需要在集群间共享
  • 进程本地缓存，例如HashMap、GuavaCache：
    • 优点：读取本地内存，没有网络开销，速度更快
    • 缺点：存储容量有限、可靠性较低、无法共享
    • 场景：性能要求较高，缓存数据量较小

本地进程缓存
Caffeine 是一个基于Java8开发的，提供了近乎最佳命中率的高性能的本地缓存库。目前Spring内部的缓存使用的就是Caffeine

Maven依赖：

java 复制代码 
<dependency>
    <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
    <artifactId>caffeine</artifactId>
</dependency>

缓存使用的基本API：

java 复制代码 
@Test
void testBasicOps() {
    // 构建cache对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();

    // 存数据
    cache.put("gf", "迪丽热巴");

    // 取数据
    String gf = cache.getIfPresent("gf");
    System.out.println("gf = " + gf);

    // 取数据，包含两个参数：
    // 参数一：缓存的key
    // 参数二：Lambda表达式，表达式参数就是缓存的key，方法体是查询数据库的逻辑
    // 优先根据key查询JVM缓存，如果未命中，则执行参数二的Lambda表达式
    String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {
        // 根据key去数据库查询数据
        return "柳岩";
    });
    System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
}

Caffeine既然是缓存的一种，肯定需要有缓存的清除策略，不然的话内存总会有耗尽的时候

注意：在默认情况下，当一个缓存元素过期的时候，Caffeine不会自动立即将其清理和驱逐。而是在一次读或写操作后，或者在空闲时间完成对失效数据的驱

Caffeine提供了三种缓存驱逐策略：

  • 基于容量：设置缓存的数量上限

    java 复制代码 
    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(1) // 设置缓存大小上限为 1
    .build();

  • 基于时间：设置缓存的有效时间

    java 复制代码 
    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 		 // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 
    .build();

  • 基于引用：设置缓存为软引用或弱引用，利用GC来回收缓存数据。性能较差，不建议使用

Lua语法

初识Lua

Lua 是一种轻量小巧的脚本语言，用标准C语言编写并以源代码形式开放， 其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能

Lua经常嵌入到C语言开发的程序中，例如游戏开发、游戏插件等

Nginx本身也是C语言开发，因此也允许基于Lua做拓展

第一个lua程序

CentOS7默认已经安装了Lua语言环境，所以可以直接运行Lua代码

  • 在Linux虚拟机的任意目录下，新建一个hello.lua文件

  • 添加下面的内容

    java 复制代码 
    print("Hello World!")

  • 运行

变量和循环

学习任何语言必然离不开变量，而变量的声明必须先知道数据的类型

Lua的数据类型

数据类型 描述
nil 表示一个无效值（在条件表达式中相当于false）
boolean 包含两个值：false 和 true
number 表示双精度类型的浮点数
string 字符串由一对双引号或单引号来表示
function 由 C 或 Lua 编写的函数
table Lua 中的表（table）其实是一个"关联数组"（associative arrays），数组的索引可以是数字、字符串或表类型。在 Lua 里，table 的创建是通过"构造表达式"来完成，最简单构造表达式是{ }，用来创建一个空表

另外，Lua提供了type()函数来判断一个变量的数据类型：

声明变量

Lua声明变量的时候无需指定数据类型，而是用local来声明变量为局部变量：

java 复制代码 
-- 声明字符串，可以用单引号或双引号，
local str = 'hello'
-- 字符串拼接可以使用 ..
local str2 = 'hello' .. 'world'
-- 声明数字
local num = 21
-- 声明布尔类型
local flag = true

Lua中的table类型既可以作为数组，又可以作为Java中的map来使用。数组就是特殊的table，key是数组角标而已：

java 复制代码 
-- 声明数组 ，key为角标的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 声明table，类似java的map
local map =  {name='Jack', age=21}

Lua中的数组角标是从1开始，访问的时候与Java中类似：

java 复制代码 
-- 访问数组，lua数组的角标从1开始
print(arr[1])

Lua中的table可以用key来访问：

java 复制代码 
-- 访问table
print(map['name'])
print(map.name)

循环

对于table，我们可以利用for循环来遍历。不过数组和普通table遍历略有差异

遍历数组：

java 复制代码 
-- 声明数组 key为索引的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 遍历数组
for index,value in ipairs(arr) do
    print(index, value) 
end

遍历普通table

java 复制代码 
-- 声明map，也就是table
local map = {name='Jack', age=21}
-- 遍历table
for key,value in pairs(map) do
   print(key, value) 
end

条件控制、函数

Lua中的条件控制和函数声明与Java类似

函数

定义函数的语法：

java 复制代码 
function 函数名( argument1, argument2..., argumentn)
    -- 函数体
    return 返回值
end

例如，定义一个函数，用来打印数组：

java 复制代码 
function printArr(arr)
    for index, value in ipairs(arr) do
        print(value)
    end
end

条件控制

类似Java的条件控制，例如if、else语法：

java 复制代码 
if(布尔表达式)
then
   --[ 布尔表达式为 true 时执行该语句块 --]
else
   --[ 布尔表达式为 false 时执行该语句块 --]
end

与java不同，布尔表达式中的逻辑运算是基于英文单词：

操作符 描述
and 逻辑与操作符
or 逻辑或操作符
not 逻辑非操作符

多级缓存

多级缓存的实现离不开Nginx编程，而Nginx编程又离不开OpenResty

安装OpenResty

OpenResty® 是一个基于 Nginx的高性能 Web 平台，用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。具备下列特点：

  • 具备Nginx的完整功能
  • 基于Lua语言进行扩展，集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块
  • 允许使用Lua自定义业务逻辑 、自定义库

  • 首先要安装OpenResty的依赖开发库，执行命令：yum install -y pcre-devel openssl-devel gcc --skip-broken

  • 安装OpenResty仓库

    • 你可以在你的 CentOS 系统中添加 openresty 仓库，这样就可以便于未来安装或更新我们的软件包（通过 yum check-update 命令）。运行下面的命令就可以添加我们的仓库：yum-config-manager --add-repo https://openresty.org/package/centos/openresty.repo
    • 如果提示说命令不存在，则运行：yum install -y yum-utils
    • 然后再重复上面的命令

  • 安装OpenResty：yum install -y openresty

  • 安装opm工具： yum install -y openresty-opm

    opm是OpenResty的一个管理工具，可以帮助我们安装一个第三方的Lua模块

  • 目录结构

    默认情况下，OpenResty安装的目录是：/usr/local/openresty

    看到里面的nginx目录了吗，OpenResty就是在Nginx基础上集成了一些Lua模块

  • 配置nginx的环境变量

    • 打开配置文件：

      java 复制代码 
      vi /etc/profile

    • 在最下面加入两行

      java 复制代码 
      export NGINX_HOME=/usr/local/openresty/nginx
export PATH=${NGINX_HOME}/sbin:$PATH

      NGINX_HOME：后面是OpenResty安装目录下的nginx的目录

    • 然后让配置生效：source /etc/profile

  • 启动：

    OpenResty底层是基于Nginx的，查看OpenResty目录的nginx目录，结构与windows中安装的nginx基本一致：

    所以运行方式与nginx基本一致：

    java 复制代码 
    # 启动nginx
nginx
# 重新加载配置
nginx -s reload
# 停止
nginx -s stop

    nginx的默认配置文件注释太多，影响后续我们的编辑，这里将nginx.conf中的注释部分删除，保留有效部分

    修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，内容如下

    java 复制代码 
    #user  nobody;
worker_processes  1;
error_log  logs/error.log;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;
    sendfile        on;
    keepalive_timeout  65;

    server {
        listen       8081;
        server_name  localhost;
        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
        }
        error_page   500 502 503 504  /50x.html;
        location = /50x.html {
            root   html;
        }
    }
}

    在Linux的控制台输入命令以启动nginx：nginx

OpenResty快速入门

我们希望达到的多级缓存架构如图：

其中：

  • windows上的nginx用来做反向代理服务，将前端的查询商品的ajax请求代理到OpenResty集群
  • OpenResty集群用来编写多级缓存业务

反向代理流程

现在，商品详情页使用的是假的商品数据。不过在浏览器中，可以看到页面有发起ajax请求查询真实商品数据

这个请求如下:

请求地址是localhost，端口是80，就被windows上安装的Nginx服务给接收到了。然后代理给了OpenResty集群：

我们需要在OpenResty中编写业务，查询商品数据并返回到浏览器

但是这次，我们先在OpenResty接收请求，返回假的商品数据

OpenResty监听请求

OpenResty的很多功能都依赖于其目录下的Lua库，需要在nginx.conf中指定依赖库的目录，并导入依赖

  • 添加对OpenResty的Lua模块的加载

    修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在其中的http下面，添加下面代码：

    java 复制代码 
    #lua 模块
lua_package_path "/usr/local/openresty/lualib/?.lua;;";
#c模块     
lua_package_cpath "/usr/local/openresty/lualib/?.so;;";

  • 监听/api/item路径

    修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在nginx.conf的server下面，添加对/api/item这个路径的监听：

    java 复制代码 
    location  /api/item {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

    这个监听，就类似于SpringMVC中的@GetMapping("/api/item")做路径映射。

    而content_by_lua_file lua/item.lua则相当于调用item.lua这个文件，执行其中的业务，把结果返回给用户。相当于java中调用service

编写item.lua

  • 在/usr/loca/openresty/nginx目录创建文件夹：mkdir lua

  • 在/usr/loca/openresty/nginx/lua文件夹下，新建文件：touch lua/item.lua

  • 编写item.lua，返回假数据

    item.lua中，利用ngx.say()函数返回数据到Response中

    java 复制代码 
    ngx.say('{"id":10001,"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

  • 重新加载配置：nginx -s reload

请求参数处理

OpenResty提供了各种API用来获取不同类型的请求参数：

获取参数并返回

  • 在前端发起的ajax请求如图：

    可以看到商品id是以路径占位符方式传递的，因此可以利用正则表达式匹配的方式来获取ID

  • 获取商品id

    修改/usr/loca/openresty/nginx/nginx.conf文件中监听/api/item的代码，利用正则表达式获取ID：

    java 复制代码 
    location ~ /api/item/(\d+) {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

  • 拼接ID并返回

    修改/usr/loca/openresty/nginx/lua/item.lua文件，获取id并拼接到结果中返回：

    java 复制代码 
    -- 获取商品id
local id = ngx.var[1]
-- 拼接并返回
ngx.say('{"id":' .. id .. ',"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

  • 重新加载并测试：运行命令以重新加载OpenResty配置：nginx -s reload

    刷新页面可以看到结果中已经带上了ID：

查询Tomcat

拿到商品ID后，本应去缓存中查询商品信息，不过目前我们还未建立nginx、redis缓存。因此，这里我们先根据商品id去tomcat查询商品信息。我们实现如图部分：

发送http请求的API

nginx提供了内部API用以发送http请求：

java 复制代码 
local resp = ngx.location.capture("/path",{
    method = ngx.HTTP_GET,   -- 请求方式
    args = {a=1,b=2},  -- get方式传参数
})

返回的响应内容包括：

  • resp.status：响应状态码
  • resp.header：响应头，是一个table
  • resp.body：响应体，就是响应数据

注意：这里的path是路径，并不包含IP和端口。这个请求会被nginx内部的server监听并处理

但是我们希望这个请求发送到Tomcat服务器，所以还需要编写一个server来对这个路径做反向代理：

java 复制代码 
location /path {
     # 这里是windows电脑的ip和Java服务端口，需要确保windows防火墙处于关闭状态
     proxy_pass http://192.168.1.102:8081; 
}

封装http工具

下面，我们封装一个发送Http请求的工具，基于ngx.location.capture来实现查询tomcat

  • 添加反向代理，到windows的Java服务

    因为item-service中的接口都是/item开头，所以我们监听/item路径，代理到windows上的tomcat服务

    修改 /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，添加一个location：

    java 复制代码 
    location /path {
    # 这里是windows电脑的ip和Java服务端口，需要确保windows防火墙处于关闭状态
    proxy_pass http://192.168.1.102:8081; 
}

    以后，只要我们调用ngx.location.capture("/item")，就一定能发送请求到windows的tomcat服务

  • 封装工具类

    之前我们说过，OpenResty启动时会加载以下两个目录中的工具文件：

    所以，自定义的http工具也需要放到这个目录下

    在/usr/local/openresty/lualib目录下，新建一个common.lua文件：vi /usr/local/openresty/lualib/common.lua

    内容如下:

    java 复制代码 
    -- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
    local resp = ngx.location.capture(path,{
        method = ngx.HTTP_GET,
        args = params,
    })
    if not resp then
        -- 记录错误信息，返回404
        ngx.log(ngx.ERR, "http请求查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
        ngx.exit(404)
    end
    return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http
}  
return _M

    这个工具将read_http函数封装到_M这个table类型的变量中，并且返回，这类似于导出

    使用的时候，可以利用require('common')来导入该函数库，这里的common是函数库的文件名

  • 实现商品查询

    最后，我们修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，利用刚刚封装的函数库实现对tomcat的查询：

    java 复制代码 
    -- 引入自定义common工具模块，返回值是common中返回的 _M
local common = require("common")
-- 从 common中获取read_http这个函数
local read_http = common.read_http
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)

CJSON工具类

OpenResty提供了一个cjson的模块用来处理JSON的序列化和反序列化

  • 引入cjson模块：local cjson = require "cjson"

  • 序列化：

    java 复制代码 
    local obj = {
    name = 'jack',
    age = 21
}
-- 把 table 序列化为 json
local json = cjson.encode(obj)

  • 反序列化

    java 复制代码 
    local json = '{"name": "jack", "age": 21}'
-- 反序列化 json为 table
local obj = cjson.decode(json);
print(obj.name)

实现Tomcat查询

java 复制代码 
-- 导入common函数库  
local common = require('common')  
local read_http = common.read_http  
local cjson = require('cjson')  
  
-- 获取路径参数  
local id = ngx.var[1]  
  
-- 根据id查询商品  
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)  

  
-- 根据id查询商品库存  
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)  
 
  
-- JSON转化为lua的table  
local item = cjson.decode(itemJSON)  
local stock = cjson.decode(itemStockJSON)  

  
-- 组合数据  
item.stock = stock.stock  
item.sold = stock.sold  
  
-- 返回JSON数据
ngx.say(cjson.encode(item))
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