基于Spring Boot的多级缓存系统设计

在构建大规模应用时,缓存系统是提高性能的关键因素之一。为了更有效地利用缓存,我们可以设计一个基于Spring Boot的多级缓存系统,结合本地内存缓存(如Caffeine)和分布式缓存(如Redis)。以下是一个简单的多级缓存系统的设计概要:

1. 选择缓存框架

在Spring Boot中,我们可以选择合适的缓存框架,比如Ehcache、Redis、Caffeine等。可以通过在pom.xml中引入相应的依赖来集成这些框架。

2. 配置缓存

在application.properties或application.yml中配置缓存的相关属性,如缓存类型、大小、过期时间等。

3. 定义缓存管理类

创建一个缓存管理类,用于配置多级缓存,指定各级缓存的顺序和策略。

java 复制代码
package com.nbsaas.boot.config;

import com.github.benmanes.caffeine.cache.CaffeineSpec;
import com.nbsaas.boot.cache.MultiLevelCacheManager;
import org.springframework.cache.CacheManager;
import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCacheManager;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.context.annotation.Primary;
import org.springframework.core.Ordered;
import org.springframework.core.annotation.Order;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheConfiguration;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheManager;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.serializer.GenericJackson2JsonRedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializationContext;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer;

import java.time.Duration;

@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {

    @Primary
    @Order(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE)
    @Bean
    public CacheManager cacheManager(CaffeineCacheManager caffeineCacheManager,RedisCacheManager redisCacheManager) {
        MultiLevelCacheManager multiLevelCacheManager = new MultiLevelCacheManager();
        multiLevelCacheManager.addCache(caffeineCacheManager);
        multiLevelCacheManager.addCache(redisCacheManager);
        return multiLevelCacheManager;
    }

    @Bean
    public CaffeineCacheManager caffeineCacheManager() {
        // 配置Caffeine缓存
        CaffeineCacheManager cacheManager = new CaffeineCacheManager("caffeineCache","yourCacheName");
        cacheManager.setCaffeineSpec(caffeineSpec());
        return cacheManager;
    }

    @Order(Ordered.LOWEST_PRECEDENCE)
    @Bean
    public RedisCacheManager redisCacheManager(RedisConnectionFactory factory) {
        RedisSerializer<String> redisSerializer = new StringRedisSerializer();
        GenericJackson2JsonRedisSerializer jackson2JsonRedisSerializer = new GenericJackson2JsonRedisSerializer();

        // 配置序列化(解决乱码的问题),过期时间600秒
        RedisCacheConfiguration config = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig()
                .entryTtl(Duration.ofSeconds(600))
                .serializeKeysWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(redisSerializer))
                .serializeValuesWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(jackson2JsonRedisSerializer))
                .disableCachingNullValues();
        return RedisCacheManager.builder(factory)
                .cacheDefaults(config)
                .build();
    }



    private CaffeineSpec caffeineSpec() {
        // 配置Caffeine缓存规格
        return CaffeineSpec.parse("maximumSize=100");
    }
}

4. 实现缓存管理器和缓存

实现MultiLevelCacheManager类和MultiLevelCache类,用于管理和协调多个缓存层次。

java 复制代码
package com.nbsaas.boot.cache;

import org.springframework.cache.Cache;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.concurrent.Callable;

public class MultiLevelCache implements Cache {

    private final ArrayList<Cache> caches = new ArrayList<>();

    public void addCache(Cache cache) {
        caches.add(cache);
    }

    @Override
    public String getName() {
        return "multiLevelCache";
    }

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

    @Override
    public ValueWrapper get(Object key) {
        for (Cache cache : caches) {
            ValueWrapper wrapper = cache.get(key);
            if (wrapper != null) {
                return wrapper;
            }
        }
        return null;
    }

    @Override
    public <T> T get(Object key, Class<T> type) {
        ValueWrapper wrapper = get(key);
        return (wrapper != null) ? (T) wrapper.get() : null;
    }

    @Override
    public <T> T get(Object key, Callable<T> valueLoader) {
        ValueWrapper wrapper = get(key);
        T obj= (wrapper != null) ? (T) wrapper.get() : null;
        return obj;
    }

    @Override
    public void put(Object key, Object value) {
        for (Cache cache : caches) {
            cache.put(key, value);
        }
    }

    @Override
    public ValueWrapper putIfAbsent(Object key, Object value) {
        ValueWrapper wrapper = get(key);
        if (wrapper == null) {
            put(key, value);
            return null;
        }
        return wrapper;
    }

    @Override
    public void evict(Object key) {
        for (Cache cache : caches) {
            cache.evict(key);
        }
    }

    @Override
    public boolean evictIfPresent(Object key) {
        return Cache.super.evictIfPresent(key);
    }

    @Override
    public void clear() {
        for (Cache cache : caches) {
            cache.clear();
        }
    }

    @Override
    public boolean invalidate() {
        boolean result=true;
        for (Cache cache : caches) {
            result= cache.invalidate();
        }
        return result;
    }
}
java 复制代码
package com.nbsaas.boot.cache;

import org.springframework.cache.Cache;
import org.springframework.cache.CacheManager;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class MultiLevelCacheManager implements CacheManager {

    private final ArrayList<CacheManager> cacheManagers = new ArrayList<>();

    public static final int REDIS_CACHE_EXPIRATION = 600; // Redis缓存过期时间(秒)

    public void addCache(CacheManager cacheManager) {
        cacheManagers.add(cacheManager);
    }

    @Override
    public Cache getCache(String name) {
        MultiLevelCache multiLevelCache = new MultiLevelCache();
        for (CacheManager cacheManager : cacheManagers) {
            Cache cache = cacheManager.getCache(name);
            if (cache != null) {
                multiLevelCache.addCache(cache);
            }
        }
        return multiLevelCache;
    }

    @Override
    public Collection<String> getCacheNames() {
        Collection<String> cacheNames = new ArrayList<>();
        for (CacheManager cacheManager : cacheManagers) {
            cacheNames.addAll(cacheManager.getCacheNames());
        }
        return cacheNames;
    }
}

5. 使用缓存

在Service层或方法上使用@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict等注解来标记需要缓存的方法。

java 复制代码
@Service
public class MyService {

    @Cacheable(value = "caffeineCache", key = "#id")
    public String getCachedData(String id) {
        // 查询数据库或其他业务逻辑
        return "Cached Data for " + id;
    }
}

通过以上步骤,我们成功建立了一个基于Spring Boot的多级缓存系统。这个设计支持在本地内存和分布式缓存之间实现多级缓存,从而更好地满足不同场景下的性能需求。在实际应用中,可以根据具体需求调整缓存的层次和配置,以达到最佳性能和资源利用率。

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