正文
SpringBoot 结合 Spring Cache 操作 Redis 实现数据缓存
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系统环境：
- Redis 版本：5.0.7
- SpringBoot 版本：2.2.2.RELEASE
参考地址：
- Redus 官方网址：https://redis.io/
- 博文示例项目 Github 地址：https://github.com/my-dlq/blog-example/tree/master/springboot/springboot-redis-cache-example
一、缓存概念知识
1、是什么缓存
我们日常生活中，经常会接触听到缓存这个词，例如，浏览器清空缓存，处理器缓存大小，磁盘缓存等等。经过分类，可以将缓存分为：
- 硬件缓存： 一般指的是机器上的 CPU、硬盘等等组件的缓存区间，一般是利用的内存作为一块中转区域，都通过内存交互信息，减少系统负载，提供传输效率。
- 客户端缓存： 一般指的是某些应用，例如浏览器、手机App、视频缓冲等等，都是在加载一次数据后将数据临时存储到本地，当再次访问时候先检查本地缓存中是否存在，存在就不必去远程重新拉取，而是直接读取缓存数据，这样来减少远端服务器压力和加快载入速度。
- 服务端缓存： 一般指远端服务器上，考虑到客户端请求量多，某些数据请求量大，这些热点数据经常要到数据库中读取数据，给数据库造成压力，还有就是 IO、网络等原因有一定延迟，响应客户端较慢。所以，在一些不考虑实时性的数据中，经常将这些数据存在内存中（内存速度非常快），当请求时候，能够直接读取内存中的数据及时响应。
2、为什么使用缓存
用缓存，主要有解决 高性能 与 高并发 与 减少数据库压力。缓存本质就是将数据存储在内存中，当数据没有发生本质变化的时候，我们应尽量避免直接连接数据库进行查询，因为并发高时很可能会将数据库压塌，而是应去缓存中读取数据，只有缓存中未查找到时再去数据库中查询，这样就大大降低了数据库的读写次数，增加系统的性能和能提供的并发量。
3、缓存的优缺点
优点：
- 加快了响应速度
- 减少了对数据库的读操作，数据库的压力降低。
缺点：
- 内存容量相对硬盘小。
- 缓存中的数据可能与数据库中数据不一致。
- 因为内存断电就清空数据，存放到内存中的数据可能丢失。
二、Redis 概念知识
1、什么是 Redis
Redis 是一个高性能的 Key-Value 数据库，它是完全开源免费的，而且 Redis 是一个 NoSQL 类型数据库，是为了解决 高并发、高扩展，大数据存储 等一系列的问题而产生的数据库解决方案，是一个非关系型的数据库。但是，它也是不能替代关系型数据库，只能作为特定环境下的扩充。
2、为什么使用 Redis 作为缓存
- 支持高可用： Redis 支持 master\slave 主\从机制、sentinal 哨兵模式、cluster 集群模式，这样大大保证了 Redis 运行的稳定和高可用行。
- 支持多种数据结构： Redis 不仅仅支持简单的 Key/Value 类型的数据，同时还提供 list、set、zset、hash 等数据结构的存储。
- 支持数据持久化： 可以将内存中的数据持久化在磁盘中，当宕机或者故障重启时，可以再次加载进如 Redis，从而不会或减少数据的丢失。
- 有很多工具与插件对其支持： Redis 已经在业界广泛使用，已经是成为缓存的首选目标，所以很多语言和工具对其支持，我们只需要简单的操作就可以轻松使用。
3、Redis 支持的数据类型
Redis 支持的数据结构类型包括：
- 字符串（string）
- 哈希表（hash）
- 列表（list）
- 集合（set）
- 有序集合（zset）
为了保证读取的效率，Redis 把数据对象都存储在内存当中，它可以支持周期性的把更新的数据写入磁盘文件中。而且它还提供了交集和并集，以及一些不同方式排序的操作。
三、缓存后可能遇见的问题
1、缓存穿透
缓存穿透： 指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时需要从数据库查询，查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询，造成缓存穿透。
缓存穿透几种解决办法：
- 缓存空值，在从 DB 查询对象为空时，也要将空值存入缓存，具体的值需要使用特殊的标识， 能和真正缓存的数据区分开，另外将其过期时间设为较短时间。
- 使用布隆过滤器，布隆过滤器能判断一个 key 一定不存在（不保证一定存在，因为布隆过滤器结构原因，不能删除，但是旧值可能被新值替换，而将旧值删除后它可能依旧判断其可能存在），在缓存的基础上，构建布隆过滤器数据结构，在布隆过滤器中存储对应的 key，如果存在，则说明 key 对应的值为空。
2、缓存击穿
缓存击穿： 某个 key 非常热点，访问非常频繁，处于集中式高并发访问的情况，当这个 key 在失效的瞬间，大量的请求就击穿了缓存，直接请求数据库，就像是在一道屏障上凿开了一个洞。
缓存击穿几种解决办法：
- 设置二级缓存，或者设置热点缓存永不过期，需要根据实际情况进行配置。
- 使用互斥锁，在执行过程中，如果缓存过期，那么先获取分布式锁，在执行从数据库中加载数据，如果找到数据就存入缓存，没有就继续该有的动作，在这个过程中能保证只有一个线程操作数据库，避免了对数据库的大量请求。
3、缓存雪崩
缓存雪崩： 当缓存服务器重启、或者大量缓存集中在某一个时间段失效，这样在失效的时候，也会给后端系统(比如DB)带来很大压力，造成数据库后端故障，从而引起应用服务器雪崩。
缓存雪崩几种解决办法：
- 缓存组件设计高可用，缓存高可用是指，存储缓存的组件的高可用，能够防止单点故障、机器故障、机房宕机等一系列问题。例如 Redis sentinel 和 Redis Cluster，都实现了高可用。
- 请求限流与服务熔断降级机制，限制服务请求次数，当服务不可用时快速熔断降级。
- 设置缓存过期时间一定的随机分布，避免集中在同一时间缓存失效。
- 定时更新缓存策略，对于实时性要求不高的数据，定时进行更新。
4、缓存一致性
使用缓存很大可能导致数据不一致问题，如下：
- 更熟数据库成功 -> 更新缓存失败 -> 数据不一致
- 更新缓存成功 -> 更新数据库失败 -> 数据不一致
- 更新数据库成功 -> 淘汰缓存失败 -> 数据不一致
- 淘汰缓存成功 -> 更新数据库失败 -> 查询缓存mis
所以使用缓存时候，应该结合实际情况，考虑缓存的数据是否有一致性需求。
四、SpringBoot 如何结合 Redis 实现缓存
1、Mavne 引入相关依赖
- spring-boot-starter-data-redis：
- commons-pool2：
2、配置 Redis 参数
application 文件中添加连接 Redis 的配置参数
- Redis 单机配置：
- Redis 哨兵配置：
- Redis 集群配置：
3、配置 Spring 缓存管理器
@Configurationpublic class RedisConfig { /** * 配置缓存管理器 * @param factory Redis 线程安全连接工厂 * @return 缓存管理器 */ @Bean public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory factory) { // 生成两套默认配置，通过 Config 对象即可对缓存进行自定义配置 RedisCacheConfiguration cacheConfig = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig() // 设置过期时间 10 分钟 .entryTtl(Duration.ofMinutes(10)) // 设置缓存前缀 .prefixKeysWith("cache:user:") // 禁止缓存 null 值 .disableCachingNullValues() // 设置 key 序列化 .serializeKeysWith(keyPair()) // 设置 value 序列化 .serializeValuesWith(valuePair()); // 返回 Redis 缓存管理器 return RedisCacheManager.builder(factory) .withCacheConfiguration("user", cacheConfig).build(); } /** * 配置键序列化 * @return StringRedisSerializer */ private RedisSerializationContext.SerializationPair<String> keyPair() { return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new StringRedisSerializer()); } /** * 配置值序列化，使用 GenericJackson2JsonRedisSerializer 替换默认序列化 * @return GenericJackson2JsonRedisSerializer */ private RedisSerializationContext.SerializationPair<Object> valuePair() { return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer()); }}
4、服务中使用 SpringCache 的注解
@Service@CacheConfig(cacheNames = "user")public class UserServiceImpl implements UserService { /** * 新增用户 */ public User addUser(User user) { ...... } /** * 查询用户 */ @Cacheable(key = "#username") public User getUserByUsername(String username) { ...... } /** * 更新用户 */ @CachePut(key = "#user.username") public User updateUser(User user) { ...... } /** * 删除用户 */ @CacheEvict(key = "#username") public void deleteByUsername(String username) { ...... }}
注解说明：
- @CacheConfig： 一般配置在类上，指定缓存名称，这个名称是和上面“置缓存管理器”中缓存名称的一致。
- @Cacheable： 作用于方法上，用于对于方法返回结果进行缓存，如果已经存在该缓存，则直接从缓存中获取，缓存的key可以从入参中指定，缓存的 value 为方法返回值。
- @CachePut： 作用于方法上，无论是否存在该缓存，每次都会重新添加缓存，缓存的key可以从入参中指定，缓存的value为方法返回值，常用作于更新。
- @CacheEvict： 作用于方法上，用于清除缓存
- @Caching： 作用于方法上，用于一次性设置多个缓存。
上面注解中的常用配置参数：
- value： 缓存管理器中配置的缓存的名称，这里可以理解为一个组的概念，缓存管理器中可以有多套缓存配置，每套都有一个名称，类似于组名，这个可以配置这个值，选择使用哪个缓存的名称，配置后就会应用那个缓存名称对应的配置。
- 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。
- 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。
- unless： 不缓存的条件，和 condition 一样，也是 SpEL 编写，返回 true 或者 false，为 true 时则不进行缓存。
5、启动类添加开启缓存注解
- @EnableCaching： 作用于类上，用于开启注解功能。
五、SpringCache 操作缓存的不足
使用 Spring Cache 虽然方便，但是也有很多局限性，因为它多是根据请求参数命名 key，根据返回指设置 value，这样很多情况下，我们想方法内部进行命名和操作有一定的限制。如果我们需要灵活设置缓存，可以不用 SpringCache 提供的注解，直接在代码中使用 Spring-data-redis 包提供的方法，手动操作 key 与 value。
- opsForValue().set(String key, String value);
- opsForValue().get(String key);
还有经常要批量设置、读取缓存，可以使用：
- opsForValue().multiSet(Map map);
- opsForValue().multiGet(List list);
六、SpringBoot + SpringCache + Redis 示例项目
下面是一个简单的 SpringBoot 项目，用于对用户的增删改查，这里使用 SpringCache 来模拟对数据进行缓存，示例如下：
1、Mavne 引入相关依赖
Maven 中引入 SpringBoot 和 Redis 依赖，因为使用了
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"> <modelVersion>4.0.0</modelVersion> <parent> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId> <version>2.2.2.RELEASE</version> </parent> <groupId>mydlq.club</groupId> <artifactId>springboot-redis-example</artifactId> <version>0.0.1</version> <name>springboot-redis-example</name> <description>Demo project for Spring Boot Redis</description> <properties> <java.version>1.8</java.version> </properties> <dependencies> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.apache.commons</groupId> <artifactId>commons-pool2</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.projectlombok</groupId> <artifactId>lombok</artifactId> </dependency> </dependencies> <build> <plugins> <plugin> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId> </plugin> </plugins> </build></project>
2、配置连接 Redis 参数
3、配置 Spring 缓存管理器
缓存配置类，里面配置缓存管理器，配置缓存的全局过期时间、序列化等参数。
import org.springframework.cache.CacheManager;import org.springframework.context.annotation.Bean;import org.springframework.context.annotation.Configuration;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.*;import java.time.Duration;/** * Redis 配置类 */@Configurationpublic class RedisConfig { /** * 配置缓存管理器 * @param factory Redis 线程安全连接工厂 * @return 缓存管理器 */ @Bean public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory factory) { // 生成两套默认配置，通过 Config 对象即可对缓存进行自定义配置 RedisCacheConfiguration cacheConfig1 = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig() // 设置过期时间 10 分钟 .entryTtl(Duration.ofMinutes(10)) // 设置缓存前缀 .prefixKeysWith("cache:user:") // 禁止缓存 null 值 .disableCachingNullValues() // 设置 key 序列化 .serializeKeysWith(keyPair()) // 设置 value 序列化 .serializeValuesWith(valuePair()); RedisCacheConfiguration cacheConfig2 = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig() // 设置过期时间 30 秒 .entryTtl(Duration.ofSeconds(30)) .prefixKeysWith("cache:user_info:") .disableCachingNullValues() .serializeKeysWith(keyPair()) .serializeValuesWith(valuePair()); // 返回 Redis 缓存管理器 return RedisCacheManager.builder(factory) .withCacheConfiguration("user", cacheConfig1) .withCacheConfiguration("userInfo", cacheConfig2) .build(); } /** * 配置键序列化 * @return StringRedisSerializer */ private RedisSerializationContext.SerializationPair<String> keyPair() { return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new StringRedisSerializer()); } /** * 配置值序列化，使用 GenericJackson2JsonRedisSerializer 替换默认序列化 * @return GenericJackson2JsonRedisSerializer */ private RedisSerializationContext.SerializationPair<Object> valuePair() { return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer()); }}
4、定义实体类
用户实体类
User
用户信息实体类
UserInfo
5、定义服务接口
UserService
import mydlq.club.example.entity.User;/** * 用户业务接口 */public interface UserService { /** * 增加账户 * * @param user 账户 */ void addUser(User user); /** * 获取账户 * * @param username 用户名 * @return 用户信息 */ User getUserByUsername(String username); /** * 修改账户 * * @param user 用户信息 * @return 用户信息 */ User updateUser(User user); /** * 删除账户 * @param username 用户名 */ void deleteByUsername(String username);}
UserInfoService
import mydlq.club.example.entity.UserInfo;/** * 用户信息业务接口 */public interface UserInfoService { /** * 增加用户信息 * * @param userInfo 用户信息 */ void addUserInfo(UserInfo userInfo); /** * 获取用户信息 * * @param name 姓名 * @return 用户信息 */ UserInfo getByName(String name); /** * 修改用户信息 * * @param userInfo 用户信息 * @return 用户信息 */ UserInfo updateUserInfo(UserInfo userInfo); /** * 删除用户信息 * @param name 姓名 */ void deleteByName(String name);}
6、实现服务类
实现 UserService 与 UserInfoService 接口中的方法，里面使用 @Cacheable、@CachePut、@CacheEvict 三个注解完成对用户与用户信息数据的缓存。
UserServiceImpl（用户业务实现类）
注意，为了演示方便，没有连接数据库，临时创建了个成员变量 userMap 来模拟数据库存储。
import mydlq.club.example.entity.User;import mydlq.club.example.service.UserService;import org.springframework.beans.BeanUtils;import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;import org.springframework.cache.annotation.CachePut;import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;import org.springframework.stereotype.Service;import java.util.HashMap;@Service@CacheConfig(cacheNames = "user")public class UserServiceImpl implements UserService { private HashMap<String, User> userMap = new HashMap<>(); @Override public void addUser(User user) { userMap.put(user.getUsername(), user); } @Override @Cacheable(key = "#username",unless = "#result==null ") public User getUserByUsername(String username) { if (!userMap.containsKey(username)) { return null; } return userMap.get(username); } @Override @CachePut(key = "#user.username") public User updateUser(User user) { if (!userMap.containsKey(user.getUsername())){ throw new RuntimeException("不存在该用户"); } // 获取存储的对象 User newUser = userMap.get(user.getUsername()); // 复制要更新的数据到新对象，因为不能更改用户名信息，所以忽略 BeanUtils.copyProperties(user, newUser, "username"); // 将新的对象存储，更新旧对象信息 userMap.put(newUser.getUsername(), newUser); // 返回新对象信息 return newUser; } @Override @CacheEvict(key = "#username") public void deleteByUsername(String username) { userMap.remove(username); }}
UserInfoServiceImpl（用户信息业务实现）
注意，为了演示方便，没有连接数据库，临时创建了个成员变量 userInfoMap 来模拟数据库存储。
import mydlq.club.example.entity.UserInfo;import mydlq.club.example.service.UserInfoService;import org.springframework.beans.BeanUtils;import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;import org.springframework.cache.annotation.CachePut;import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;import org.springframework.stereotype.Service;import java.util.HashMap;@Service@CacheConfig(cacheNames = "userInfo")public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService { private HashMap<String, UserInfo> userInfoMap = new HashMap<>(); @Override public void addUserInfo(UserInfo userInfo) { userInfoMap.put(userInfo.getName(), userInfo); } @Override @Cacheable(key = "#name", unless = "#result==null") public UserInfo getByName(String name) { if (!userInfoMap.containsKey(name)) { return null; } return userInfoMap.get(name); } @Override @CachePut(key = "#userInfo.name") public UserInfo updateUserInfo(UserInfo userInfo) { if (!userInfoMap.containsKey(userInfo.getName())) { throw new RuntimeException("该用户信息没有找到"); } // 获取存储的对象 UserInfo newUserInfo = userInfoMap.get(userInfo.getName()); // 复制要更新的数据到新对象，因为不能更改用户名信息，所以忽略 BeanUtils.copyProperties(userInfo, newUserInfo, "name"); // 将新的对象存储，更新旧对象信息 userInfoMap.put(newUserInfo.getName(), newUserInfo); // 返回新对象信息 return newUserInfo; } @Override @CacheEvict(key = "#name") public void deleteByName(String name) { userInfoMap.remove(name); }}
7、创建 Controller
UserController
import mydlq.club.example.entity.User;import mydlq.club.example.service.UserService;import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.web.bind.annotation.*;/** * 用户 Controller */@RestControllerpublic class UserController { @Autowired private UserService userService; @GetMapping("/user/{username}") public User getUser(@PathVariable String username) { return userService.getUserByUsername(username); } @PostMapping("/user") public String createUser(@RequestBody User user) { userService.addUser(user); return "SUCCESS"; } @PutMapping("/user") public User updateUser(@RequestBody User user) { return userService.updateUser(user); } @DeleteMapping("/user/{username}") public String deleteUser(@PathVariable String username) { userService.deleteByUsername(username); return "SUCCESS"; }}
UserInfoController
import mydlq.club.example.entity.UserInfo;import mydlq.club.example.service.UserInfoService;import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.web.bind.annotation.*;/** * 用户信息 Controller */@RestControllerpublic class UserInfoController { @Autowired private UserInfoService userInfoService; @GetMapping("/userInfo/{name}") public UserInfo getUserInfo(@PathVariable String name) { return userInfoService.getByName(name); } @PostMapping("/userInfo") public String createUserInfo(@RequestBody UserInfo userInfo) { userInfoService.addUserInfo(userInfo); return "SUCCESS"; } @PutMapping("/userInfo") public UserInfo updateUserInfo(@RequestBody UserInfo userInfo) { return userInfoService.updateUserInfo(userInfo); } @DeleteMapping("/userInfo/{name}") public String deleteUserInfo(@PathVariable String name) { userInfoService.deleteByName(name); return "SUCCESS"; }}
8、启动类
启动类中添加 @EnableCaching 注解开启缓存。
