Spring Cache简明教程

引言
什么是Spring Cache？
如何使用
使用缓存的注意事项
总结

引言

在我上一篇文章如何正确使用缓存来提升系统性能中，我从偏理论的视角介绍了Cache在性能优化中的必要性，在这篇文章中我们介绍Spring全家桶中和cache相关Spring-Cache。

什么是Spring Cache？

Spring Cache是Spring框架提供的一个抽象层，专注于提供一种透明的方式来添加缓存功能到Spring应用程序中。它不是一个具体的缓存实现，而是提供了一套创建和管理缓存的标准，并能够与多种缓存实现无缝集成，例如Ehcache、Caffeine、Redisson等。

核心特性

以下是Spring Cache的一些核心特性：

声明式缓存抽象：通过Java注解，开发者可以声明性地控制方法的缓存行为，而无需编写具体的缓存逻辑。
无需改变代码结构：缓存逻辑通过AOP增强被注解的方法，因此不需要修改方法的实际代码。
支持多种缓存库：与多个流行的缓存库兼容，开发者可以根据自身需求选择最适合的缓存解决方案。
灵活的缓存配置：可以通过配置文件灵活地管理缓存行为，包括缓存的名称、过期时间和条件等。
动态缓存决策：支持在运行时根据方法执行的上下文动态地做出缓存决策。

应用场景

Spring Cache适用于以下应用场景：

提高性能：对于那些计算成本高昂或者频繁访问的数据，通过缓存可以显著提高系统的响应速度。
减少数据库压力：缓存可以减少数据库的读操作，对于读多写少的场景特别有用。
提高系统可扩展性：通过使用分布式缓存，可以在不增加数据库负荷的情况下，横向扩展应用程序。

如何工作

Spring Cache背后的工作原理基于Spring AOP（面向切面编程），它会在运行时动态地创建代理对象，来拦截对被注解方法的调用。根据注解的不同，Spring Cache可以执行如下操作：

@Cacheable：在方法执行前先检查缓存，如果缓存中已经存在相应的数据，则直接返回缓存数据而不执行方法。
@CachePut：无论如何都会执行方法，并将执行结果放入指定的缓存中。
@CacheEvict：删除缓存中的数据，通常用于删除操作或数据更新后的缓存同步。
@Caching：组合多个缓存操作，可以同时使用以上几种注解。

通过上述机制，Spring Cache提供了一个简单而强大的缓存管理能力，使得开发者能够专注于业务逻辑的实现，而将缓存的维护交给框架去处理。

如何使用

1. 添加依赖

我们拿SpringBoot Maven的项目为例，说下如何在项目中使用Spring Cache，首先很简单，需要在pom文件中引入Spring Cache相关的依赖。

<dependencies>
    <!-- 添加Spring Boot Cache Starter -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
    </dependency>
    
    <!-- 如果使用特定的缓存实现，如Caffeine -->
    <dependency>
        <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
        <artifactId>caffeine</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

2. 启用缓存

另外还需要在Spring Boot应用程序的主类或任何配置类上使用@EnableCaching注解来启用缓存支持。

import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
@EnableCaching
public class MyApplication {
    
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
    }
}

3. 配置缓存

虽然Spring Boot为许多缓存实现提供了自动配置，但你也可以通过application.properties或application.yml文件进行自定义配置。例如，如果你使用Caffeine作为缓存实现，可以按以下方式配置：

# application.properties
spring.cache.cache-names=cache1,cache2
spring.cache.caffeine.spec=maximumSize=500,expireAfterAccess=600s

当然你也可以通过代码的形式定义CacheManager，实现对Cache的配置，代码如下：

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.cache.CacheManager;
import org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCacheManager;

@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {

    @Bean
    public CacheManager cacheManager() {
        CaffeineCacheManager cacheManager = new CaffeineCacheManager("cache1", "cache2");
        cacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES));
        return cacheManager;
    }
}

4. 使用缓存注解

在服务中，你可以通过在方法上添加相应的缓存注解来实现缓存逻辑。

使用@Cacheable来缓存方法的返回结果。

import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;

public class SomeService {

    @Cacheable("cache1")
    public SomeObject getSomeObject(String id) {
        // 方法实现，如果缓存中有对应id的对象，则不执行此代码
        return fetchFromDatabase(id);
    }
}

使用@CachePut来更新缓存。

import org.springframework.cache.annotation.CachePut;

public class SomeService {

    @CachePut(value = "cache1", key = "#someObject.id")
    public SomeObject updateSomeObject(SomeObject someObject) {
        // 方法实现，总是执行并刷新缓存
        return saveToDatabase(someObject);
    }
}

使用@CacheEvict来清除缓存。

import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;

public class SomeService {

    @CacheEvict(value = "cache1", key = "#id")
    public void deleteSomeObject(String id) {
        // 方法实现，删除对象的同时清除缓存
        removeFromDatabase(id);
    }
}

你还可以使用@Caching来组合多个缓存操作。

使用缓存的注意事项

使用Spring Cache时，需要注意以下几个关键点：

缓存的数据序列化

当使用分布式缓存或需要将缓存数据存储在磁盘上时，数据序列化变得非常重要。你需要确保你的对象可以被序列化和反序列化，否则会抛出异常。对于复杂对象，考虑使用JSON或其他自定义序列化策略，当你不指定序列化策略时，默认会使用java序列化，这时候就要求你必须实现Serializable接口。

缓存键的生成

默认情况下，Spring Cache使用方法参数的hashCode()和equals()方法来生成缓存键。如果你的方法参数是自定义的对象，确保这些方法被适当地覆盖。你也可以通过实现KeyGenerator接口或使用key属性自定义键的生成。

缓存内容的一致性

缓存数据可能会与数据库中的数据不一致。当数据被更新或删除时，你需要使用@CachePut和@CacheEvict注解来确保缓存与数据源保持同步。

缓存的并发问题

虽然缓存操作通常是原子性的，但在高并发环境下仍然可能遇到并发问题。例如，多个线程可能同时计算同一个缓存缺失的值。为了避免这种情况，你可能需要使用锁或其他同步机制。

缓存穿透

缓存穿透是指查询不存在的数据。因为缓存不会存储这样的数据，所以每次查询都会打到后端数据库，从而可能造成数据库的压力。为了预防这种情况，可以采用布隆过滤器或者将查询结果为空的情况也缓存起来。

缓存雪崩

缓存雪崩指在缓存失效后，大量的请求同时到达数据库，可能会导致数据库瞬时压力过大。为了防止这种情况，可以设置不同的缓存过期时间，使用缓存预热策略，或者实施熔断限流措施。

缓存的存储容量

对于本地缓存，缓存的大小应当根据可用内存合理配置，避免内存溢出。对于分布式缓存，应当考虑其存储容量和扩展性。

方法的可见性和返回类型

@Cacheable本身逻辑也是基于SpringAOP实现的，所以需要和其他缓存注解一样应用于公共方法。对私有方法、final方法或类、static方法使用缓存注解是无效的，因为Spring的AOP无法拦截这些方法的调用。同样，缓存方法的返回类型应该是非null值，因为大多数缓存实现都不会存储null值。如果方法可能返回null，那么需要进行额外的处理来避免缓存穿透。

事务性操作和缓存

如果在事务性操作中使用缓存，需要注意事务的传播行为和缓存操作的顺序。错误的操作顺序可能会导致缓存与数据库状态不一致。

总结

本文详细介绍了Spring Cache的使用和注意事项。Spring Cache作为Spring框架提供的缓存抽象，允许通过声明式注解轻松地在应用中集成缓存，以此提升性能和减少开发时间。以下是本文关键点的总结：

Spring Cache不是缓存实现：它提供了一组与缓存实现无关的接口和注解。
简单的集成步骤：包括添加依赖、启用缓存、配置缓存以及在方法上使用缓存注解。
缓存注解的使用：介绍了@Cacheable、@CachePut和@CacheEvict等注解的使用场景。
注意事项：
- 数据序列化：确保对象可以被序列化和反序列化。
- 缓存键生成：覆盖hashCode()和equals()或自定义键的生成。
- 缓存内容一致性：使用注解确保缓存与数据源同步。
- 并发问题：可能需要锁或其他同步机制。
- 缓存穿透：使用布隆过滤器或缓存空查询。
- 缓存雪崩：设置不同的缓存过期时间，缓存预热策略，或实施熔断限流。
- 缓存容量：合理配置本地缓存大小，考虑分布式缓存的存储容量和扩展性。
- 方法的可见性：缓存注解应用于公共方法。
- 事务性操作：注意事务的传播行为和缓存操作的顺序。

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