最近在公司优化一个接口的时候打算使用一个key-value结构的本地缓存。
需要实现的功能非常简单:
1、可以控制本地缓存的最大对象数量。
2、线程安全，防止发生OOM。
3、同时支持设置单个对象的过期时间。
面对这个需求，我的选择很多，有很多框架都做的非常好，但大多数框架对我来说都太重量级了，我希望一个简单高效的实现，所以我开发了一个简单的小工具，在这里可以分享下实现思路和开发当中遇到的问题以及解决办法。
首先是key-value的结构，我底层封装了一个Map来保存数据。然后要解决线程安全问题，所以我使用了
ConcurrentHashMap这个Map的实现，关于ConcurrentHashMap这个类网上有很多介绍，我在这里就不多说了。
接下来就是需要控制最多存储的对象数量，防止本地缓存太多对象(而且对象一直都被引用，还无法被GC)造成OOM，一开始我只是简单的使用比较size和最大值来判断是否还能添加对象，但是在后来的测试发现并发量非常高的时候会多存几倍的对象，为了保证性能我还不希望加锁或使用synchronized关键字，所以我选择了AtomicInteger这个原子类巧妙的处理添加和删除方法。这个问题的解决我会在代码里详细解释。
对于过期时间实现，我参考了Redis底层对于过期部分的实现，它分为主动和被动过期，前者更节约空间后者性能更好，为此我兼容了两者的优势，采取了主动+被动的方式，在查询时判断是否过期，如果过期，清除对象同时返回null(被动)。在添加元素时判断是否还有空间，如果有正常添加，如果没有触发全量过期，之后再判断是否有空间，有就添加，没有就返回添加失败(主动)。
具体代码如下
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 本地缓存
* 采用懒过期模式 在查询时才判断是否过期
* 在缓存满了的时候触发主动过期过期
*
* @author zhangmingxu ON 17:52 2019-05-20
**/
public class LocalCache {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LocalCache.class);
private static final int DEFAULT_MAX_NUMBER = 100; //默认最大缓存对象数
private final Map<String, Value> cache; //真正存储数据的Map，使用ConcurrentHashMap
private final int maxNumber; //最大对象数
//并发控制器，很重要，防止高并发下本地缓存对象个数超过maxNumber
private final AtomicInteger cur = new AtomicInteger(0);
/**
* 使用默认最大对象数100
*/
public LocalCache() {
this(DEFAULT_MAX_NUMBER);
}
public LocalCache(int maxNumber) {
this.maxNumber = maxNumber;
this.cache = new ConcurrentHashMap<>(maxNumber);
}
/**
* 添加
* 判断是否超过最大限制 如果超过触发一次全量过期
* 如果全量过期后还不够返回false
* 由于1 2 不是原子的所以需要使用单独的AtomicInteger来控制
*
* @param key 对应的key
* @param value 值
* @param expire 过期时间 单位毫秒
*/
public boolean put(String key, Object value, long expire) {
if (StringUtils.isBlank(key) || value == null || expire < 0) {
logger.error("本地缓存put参数异常");
return false;
}
if (!incr()) { //如果CAS增加失败直接返回添加失败
return false;
}
if (isOver()) { //判断是否需要过期
expireAll(); //触发一次全量过期
if (isOver()) { //二次检查
logger.error("本地缓存put时全量过期后还没有空间");
decr();
return false;
}
}
putValue(key, value, expire);
return true;
}
/**
* 获取时判断过期时间
* 在这里实现懒过期
*/
public Object get(String key) {
Value v = cache.get(key);
if (v == null) {
return null;
}
if (isExpired(v)) {
logger.info("本地缓存key={}已经过期", key);
removeValue(key);
return null;
}
return v.value;
}
/**
* 判断是否过期，实现很简单
*/
private boolean isExpired(Value v) {
long current = System.currentTimeMillis();
return current - v.updateTime > v.expire;
}
/**
* 扫描所有的对象对需要过期的过期
*/
private void expireAll() {
logger.info("开始过期本地缓存");
for (Map.Entry<String, Value> entry : cache.entrySet()) {
if (isExpired(entry.getValue())) {
removeValue(entry.getKey());
}
}
}
/**
* 为了保证cur和Map的size时刻保持一致这里我查询了put的注释及ConcurrentHashMap底层关于put的实现。
* 发现如果put方法返回的不是null说明存在覆盖操作，如果是覆盖那么Map的size其实没有变，因为我们添加之前把cur的值增加
* 上去了所以要在这里减下来。
*/
private void putValue(String key, Object value, long expire) {
Value v = new Value(System.currentTimeMillis(), expire, value);
if (cache.put(key, v) != null) {//存在覆盖 使得cur和map的size统一
decr();
}
}
/**
* 这里也是为了保证cur和Map的size时刻保持一致只有在remove方法返回的不是null时才证明真正有对象被删除了，才需要把
* cur减下来。这里出现remove返回为null是因为可能存在并发删除，两个线程删除同一个对象只能有一个删除成功(返回不是
* null)，另一个(返回null)如果也减小了cur的值，会造成cur和Map的size不一致。
private void removeValue(String key) {
if (cache.remove(key) != null) { //真正删除成功了 使得cur和map的size统一
decr();
}
}
/**
* 这里很重要，原来我使用的是cache.size() >= maxNumber;
* 但是如果使用map本身的size方法会存在获取size和putValue方法不是原子的，
* 可能多个线程同时都判断那时候还没执行putValue方法，线程都认为还没有满，大家都执行了putValue方法造成数据太多
*/
private boolean isOver() {
return cur.get() > maxNumber;
}
private boolean incr() {
int c = cur.get();
return cur.compareAndSet(c, ++c);
}
/**
* 因为CAS不一定是一定成功的
* 所以这里通过循环保证成功
*/
private void decr() {
for (; ; ) {
int c = cur.get();
if (c == 0) {
logger.error("LocalCache decr cur is 0");
return;
}
if (cur.compareAndSet(c, --c)) {
return;
}
}
}
private static class Value {
private long updateTime; //更新时间
private long expire; //有效期
private Object value; //真正的对象
private Value(long updateTime, long expire, Object value) {
this.updateTime = updateTime;
this.expire = expire;
this.value = value;
}
}
}这里面最关键的就是AtomicInteger cur这个对象，它在put方法参数校验通过之后就加1(虽然当时还没有putValue)，使用这个操作让其他线程在后面的isOver方法中马上感知到数量变化，不会添加过多的对象。
保证cur的值和Map的Size时刻一致也很重要，并不是只要putValue了就加一(覆盖时虽然put进去了对象但是size不变)，remove了就减一(并发删除同一个对象只能有一个成功，可能多减了)，平常我们在使用Map的put和remove方法时往往忽略了它们的返回值，所以我建议大家仔细阅读源代码，加深理解。
并发测试代码如下:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
LocalCache localCache = new LocalCache();
int n = 500; //线程数
int m = 100000; //每个线程put个数
CountDownLatch count = new CountDownLatch(n);
for (int i = 0; i < n; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < m; j++) {
localCache.put(j + "", new Object(), 10);
}
count.countDown();
}).start();
}
count.await();
System.out.println("size:" + localCache.cache.size());
System.out.println("cur:" + localCache.cur);
System.out.println("耗时 " + (System.currentTimeMillis() - start));
}
原创文章，作者：Maggie-Hunter，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/60361.html