C#中级8、什么是缓存

缓存（Caching） 是一种临时存储数据的技术 ，目的是避免重复计算或重复访问慢速资源 （如数据库、网络 API、文件系统），从而显著提升系统性能和响应速度。

✅ 简单说："把常用的数据放在更快的地方，下次直接拿，不用再算/再查。"

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🎯 为什么需要缓存？

操作	典型耗时
CPU 一级缓存访问	~1 纳秒
内存访问	~100 纳秒
SSD 读取	~100 微秒
数据库查询	110 毫秒
网络 API 调用	50500 毫秒

👉 缓存能将"毫秒级"操作变成"微秒甚至纳秒级"！

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🔁 缓存的基本工作流程

用户请求数据
       │
       ▼
   [缓存中查找]？
       ├── 是 → 直接返回（**缓存命中，Cache Hit**）
       └── 否 → 
               │
               ▼
         [从原始源获取]（数据库/API等）
               │
               ▼
         [存入缓存]（可选：设置过期时间）
               │
               ▼
            返回数据

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🧱 缓存的核心要素

要素	说明
Key（键）	唯一标识缓存项（如 "user:123"）
Value（值）	被缓存的数据（对象、字符串、字节等）
TTL（Time-To-Live）	过期时间（避免数据陈旧）
淘汰策略	内存满时如何清理（LRU、LFU 等）

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💻 C# / .NET 中的缓存实现方式

1️⃣ 内存缓存（In-Memory Cache）

• 适用场景：单机应用、开发测试、非关键数据
• .NET 实现 ：IMemoryCache（来自 Microsoft.Extensions.Caching.Memory）

示例：

// 注册服务（Program.cs）
builder.Services.AddMemoryCache();

// 使用
public class UserService
{
    private readonly IMemoryCache _cache;
    
    public UserService(IMemoryCache cache) => _cache = cache;

    public User GetUser(int id)
    {
        // 尝试从缓存获取
        if (_cache.TryGetValue($"user:{id}", out User user))
            return user;

        // 缓存未命中：查数据库
        user = _db.Users.Find(id);

        // 存入缓存（5分钟过期）
        _cache.Set($"user:{id}", user, TimeSpan.FromMinutes(5));
        
        return user;
    }
}

⚠️ 缺点：进程重启后丢失；多实例部署时数据不一致。

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2️⃣ 分布式缓存（Distributed Cache）

• 适用场景：Web 集群、微服务、高可用系统
• 常用中间件：Redis（最流行）、Memcached
• .NET 实现 ：IDistributedCache（抽象接口）

示例（使用 Redis）：

// 安装包：StackExchange.Redis.Extensions 或 Microsoft.Extensions.Caching.StackExchangeRedis

// Program.cs
builder.Services.AddStackExchangeRedisCache(options =>
{
    options.Configuration = "localhost:6379";
});

// 使用
public class ProductService
{
    private readonly IDistributedCache _cache;
    
    public async Task<Product> GetProductAsync(int id)
    {
        var json = await _cache.GetStringAsync($"product:{id}");
        if (json != null)
            return JsonSerializer.Deserialize<Product>(json);

        // 查数据库
        var product = await _db.Products.FindAsync(id);
        
        // 存入 Redis（10分钟过期）
        await _cache.SetStringAsync(
            $"product:{id}", 
            JsonSerializer.Serialize(product),
            new DistributedCacheEntryOptions { AbsoluteExpirationRelativeToNow = TimeSpan.FromMinutes(10) }
        );
        
        return product;
    }
}

✅ 优点：多实例共享、持久化（可选）、高并发支持。

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3️⃣ HTTP 响应缓存（Response Caching）

• 适用场景：Web API、静态内容
• .NET 实现 ：[ResponseCache] 特性 或 中间件

示例：

[HttpGet("{id}")]
[ResponseCache(Duration = 60)] // 浏览器/代理缓存 60 秒
public async Task<ActionResult<Product>> Get(int id)
{
    return await _service.GetProductAsync(id);
}

💡 这会在 HTTP 响应头中添加 Cache-Control: public, max-age=60，让客户端或 CDN 缓存结果。

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🧠 缓存策略（何时更新/失效？）

策略	说明	适用场景
TTL（过期时间）	固定时间后自动失效	数据允许短暂不一致（如商品详情）
主动刷新	后台定时更新缓存	高频访问 + 数据变化可预测
写穿透（Write-Through）	更新数据库时同步更新缓存	强一致性要求
失效（Invalidate）	数据变更时删除缓存	简单可靠（推荐）
懒加载（Lazy Load）	首次访问时加载	降低启动开销

✅ 最佳实践 ："更新数据库后，删除缓存"（而非更新缓存），避免并发问题。

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⚠️ 缓存常见问题与解决方案

问题	说明	解决方案
缓存雪崩	大量缓存同时过期，瞬间压垮数据库	设置随机 TTL（如 5min ± 30s）
缓存穿透	查询不存在的数据，绕过缓存直击 DB	缓存空值（null）+ 布隆过滤器
缓存击穿	热点 key 过期瞬间被大量请求打爆	互斥锁（只让一个线程重建缓存）
数据不一致	DB 和缓存内容不同步	采用"先更新 DB，再删缓存"策略

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🌐 缓存层级（从快到慢）

层级	技术	位置
L1	CPU 缓存	硬件
L2	内存缓存	应用进程内
L3	Redis/Memcached	本地或远程服务器
L4	CDN 缓存	边缘节点
L5	数据库查询缓存	DB 内部（如 MySQL Query Cache）

💡 一个请求可能经过多层缓存！

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✅ 总结：缓存的核心价值

维度	效果
性能	响应时间降低 10~1000 倍
吞吐量	系统 QPS 显著提升
成本	减少数据库/外部 API 调用，节省资源
用户体验	页面加载更快，操作更流畅

🧠 记住 ：
"缓存不是银弹，但没有缓存，现代高性能系统寸步难行。"

在 .NET 开发中：

• 单机用 IMemoryCache
• 分布式用 IDistributedCache + Redis
• Web API 用 [ResponseCache]