多级缓存

什么是多级缓存

传统缓存的问题

传统的缓存策略一般是请求到达Tomcat后，先查询Redis，如果未命中则查询数据库。

存在下面的问题：

1. 请求要经过Tomcat处理，Tomcat的性能成为整个系统的瓶颈
2. Redis缓存失效时，会对数据库产生冲击

多级缓存方案

用作缓存的Nginx是业务Nginx，需要部署为集群，再有专门的Nginx用来做反向代理。

JVM进程缓存 Caffeine

初识Caffeine

Caffeine是一个基于Java8开发的，提供了近乎最佳命中率的高性能的本地缓存库。

ben-manes/caffeine: A high performance caching library for Java (github.com)

实例代码

@Test
void testBasicOps() {
    // 创建缓存对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();

    // 存数据
    cache.put("gf", "迪丽热巴");

    // 取数据，不存在则返回null
    String gf = cache.getIfPresent("gf");
    System.out.println("gf = " + gf); 

    // 取数据，包含两个参数：
    // 参数一：缓存的key
    // 参数二：Lambda表达式，表达式参数就是缓存的key，方法体是查询数据库的逻辑
    // 优先根据key查询缓存，如果未命中，则执行参数二的Lambda表达式
    String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {
        // 这里可以去数据库根据 key查询value
        return "柳岩";
    });
    System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
}

缓存驱逐策略

1、基于容量

// 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(1) // 设置缓存大小上限为 1 
    .build();

2、基于时间

// 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 
    .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 
    .build();

3、基于引用：利用GC来回收缓存数据（不推荐）

在默认情况下，当一个缓存元素过期的时候，Caffeine不会自动立即将其清理和驱逐。而是在一次读或写操作后，或者在空闲时间完成对失效数据的驱逐。

实现缓存

1、声明Bean

@Configuration
public class CaffeineConfig {

    @Bean
    public Cache<Long, Item> itemCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }

    @Bean
    public Cache<Long, ItemStock> stockCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
}

2、使用Cache对象

@Autowired
private Cache<Long, Item> itemCache;
@Autowired
private Cache<Long, ItemStock> stockCache;

// ...

@GetMapping("/{id}")
public Item findById(@PathVariable("id") Long id) {
    return itemCache.get(id, key -> itemService.query()
                         .ne("status", 3).eq("id", key)
                         .one()
                        );
}

@GetMapping("/stock/{id}")
public ItemStock findStockById(@PathVariable("id") Long id) {
    return stockCache.get(id, key -> stockService.getById(key));
}

Lua语法入门

The Programming Language Lua

变量和循环

数据类型：

数据类型	描述
nil	这个最简单，只有值nil属于该类，表示一个无效值（在条件表达式中相当于false）。
boolean	包含两个值：false和true
number	表示双精度类型的实浮点数
string	字符串由一对双引号或单引号来表示
function	由 C 或 Lua 编写的函数
table	Lua 中的表（table）其实是一个"关联数组"（associative arrays），数组的索引可以是数字、字符串或表类型。在 Lua 里，table 的创建是通过"构造表达式"来完成，最简单构造表达式是{}，用来创建一个空表。

利用type函数测试给定变量或者值的类型

Lua声明变量的时候，并不需要指定数据类型

-- 声明字符串
local str = 'hello'
-- 字符串拼接可以使用 ..
local str2 = 'hello' .. 'world'
-- 声明数字
local num = 21
-- 声明布尔类型
local flag = true
-- 声明数组 key为索引的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 声明table，类似java的map
local map =  {name='Jack', age=21}

-- 访问数组，lua数组的角标从1开始
print(arr[1])
-- 访问table
print(map['name'])
print(map.name)

数组、table都可以利用for循环来遍历

-- 声明数组 key为索引的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 遍历数组
for index,value in ipairs(arr) do
    print(index, value) 
end


-- 声明map，也就是table
local map = {name='Jack', age=21}
-- 遍历table
for key,value in pairs(map) do
    print(key, value) 
end

条件控制、函数

定义函数的语法：

function 函数名(argument1, argument2, ..., argumentn)
    -- 函数体
    return 返回值
end

if、else语法：

if(布尔表达式)
    then
    --[ 布尔表达式为 true 时执行该语句块 --]
else
    --[ 布尔表达式为 false 时执行该语句块 --]
end

逻辑运算符：

操作符	描述	实例
and	逻辑与操作符。若 A 为 false，则返回 A，否则返回 B。	(A and B) 为 false。
or	逻辑或操作符。若 A 为 true，则返回 A，否则返回 B。	(A or B) 为 true。
not	逻辑非操作符。与逻辑运算结果相反，如果条件为 true，逻辑非为 false。	not(A and B) 为 true。

多级缓存

初识 OpenResty

OpenResty® - 开源官方站

基于 Nginx的高性能 Web 平台，用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。

• 具备Nginx的完整功能
• 基于Lua语言进行扩展，集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块
• 允许使用Lua自定义业务逻辑、自定义库

OpenResty 的安装

安装

首先你的Linux虚拟机必须联网

1）安装开发库

首先要安装OpenResty的依赖开发库，执行命令：

yum install -y pcre-devel openssl-devel gcc --skip-broken

2）安装OpenResty仓库

你可以在你的 CentOS 系统中添加 openresty 仓库，这样就可以便于未来安装或更新我们的软件包（通过 yum check-update 命令）。运行下面的命令就可以添加我们的仓库：

yum-config-manager --add-repo https://openresty.org/package/centos/openresty.repo

如果提示说命令不存在，则运行：

yum install -y yum-utils

然后再重复上面的命令

3）安装OpenResty

然后就可以像下面这样安装软件包，比如 openresty：

yum install -y openresty

4）安装opm工具

opm是OpenResty的一个管理工具，可以帮助我们安装一个第三方的Lua模块。

如果你想安装命令行工具 opm，那么可以像下面这样安装 openresty-opm 包：

yum install -y openresty-opm

5）目录结构

默认情况下，OpenResty安装的目录是：/usr/local/openresty

看到里面的nginx目录了吗，OpenResty就是在Nginx基础上集成了一些Lua模块。

6）配置nginx的环境变量

打开配置文件：

vi /etc/profile

在最下面加入两行：

export NGINX_HOME=/usr/local/openresty/nginx
export PATH=${NGINX_HOME}/sbin:$PATH

NGINX_HOME：后面是OpenResty安装目录下的nginx的目录

然后让配置生效：

source /etc/profile

启动和运行

OpenResty底层是基于Nginx的，查看OpenResty目录的nginx目录，结构与windows中安装的nginx基本一致：

所以运行方式与nginx基本一致：

# 启动nginx
nginx
# 重新加载配置
nginx -s reload
# 停止
nginx -s stop

nginx的默认配置文件注释太多，影响后续我们的编辑，这里将nginx.conf中的注释部分删除，保留有效部分。

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，内容如下：

#user  nobody;
worker_processes  1;
error_log  logs/error.log;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;
    sendfile        on;
    keepalive_timeout  65;

    server {
        listen       8081;
        server_name  localhost;
        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
        }
        error_page   500 502 503 504  /50x.html;
        location = /50x.html {
            root   html;
        }
    }
}

在Linux的控制台输入命令以启动nginx：

nginx

然后访问页面：http://192.168.150.101:8081，注意ip地址替换为你自己的虚拟机IP：

OpenResty快速入门

1、在nginx.conf的http下面，添加对OpenResty的Lua模块的加载

#lua 模块
lua_package_path "/usr/local/openresty/lualib/?.lua;;";
#c模块     
lua_package_cpath "/usr/local/openresty/lualib/?.so;;";

2、在nginx.conf的server下面，添加对/api/item这个路径的监听

location /api/item {
    # 响应类型，这里返回json
    default_type application/json;
    # 响应数据由 lua/item.lua这个文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

3、在nginx目录创建文件夹：lua，在lua文件夹下，新建文件：item.lua

-- 返回假数据，这里的ngx.say()函数，就是写数据到Response中
ngx.say('{"id":10001,"data":"hello"}')

4、重新加载配置

nginx -s reload

请求参数处理

路径占位符 /item/1001

# 1.正则表达式匹配： 
location ~ /item/(\d+) {
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

-- 2. 匹配到的参数会存入ngx.var数组中，
-- 可以用角标获取
local id = ngx.var[1]

请求头 id: 1001

-- 获取请求头，返回值是table类型
local headers = ngx.req.get_headers()

Get请求参数 ?id=1001

-- 获取GET请求参数，返回值是table类型
local getParams = ngx.req.get_uri_args()

Post表单参数 id=1001

-- 读取请求体
ngx.req.read_body()
-- 获取POST表单参数，返回值是table类型
local postParams = ngx.req.get_post_args()

JSON参数

-- 读取请求体
ngx.req.read_body()
-- 获取body中的json参数，返回值是string类型
local jsonBody = ngx.req.get_body_data()

查询Tomcat

nginx内部发送Http请求

nginx提供了内部API用以发送http请求

local resp = ngx.location.capture("/path",{
        method = ngx.HTTP_GET,   -- 请求方式
        args = {a=1,b=2},  -- get方式传参数
        body = "c=3&d=4" -- post方式传参数
    })

注意：这里的path是路径，并不包含IP和端口。这个请求会被nginx内部的server监听并处理。

但是我们希望这个请求发送到Tomcat服务器，所以还需要编写一个server来对这个路径做反向代理：

封装http查询的函数

把http查询的请求封装为一个函数，放到OpenResty函数库中

在/usr/local/openresty/lualib目录下创建common.lua文件

-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
    local resp = ngx.location.capture(path,{
            method = ngx.HTTP_GET,
            args = params,
        })
    if not resp then
        -- 记录错误信息，返回404
        ngx.log(ngx.ERR, "http not found, path: ", path , ", args: ", args)
        ngx.exit(404)
    end
    return resp.body
end

-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http
}  
return _M

使用Http函数查询数据

修改item.lua文件

-- 引入自定义工具模块
local common = require("common")
local read_http = common.read_http

-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]

-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)

JSON结果处理

OpenResty提供了一个cjson的模块用来处理JSON的序列化和反序列化。

openresty/lua-cjson: Lua CJSON is a fast JSON encoding/parsing module for Lua (github.com)

-- 引入cjson模块
local cjson = require "cjson"

-- 序列化
local obj = {
    name = 'jack',
    age = 21
}
local json = cjson.encode(obj)

-- 反序列化
local json = '{"name": "jack", "age": 21}'
local obj = cjson.decode(json);
print(obj.name)

Tomcat集群的负载均衡

# 反向代理配置，将/item路径的请求代理到tomcat集群        
location /item {
    proxy_pass 	http://tomcat-cluster;
}

# tomcat集群配置
upstream tomcat-cluster{
    # 对请求的 URI 进行哈希处理
    hash $request_uri;
    server 192.168.150.1:8081;
    server 192.168.150.1:8082;
}

Redis缓存预热

冷启动：服务刚刚启动时，Redis中并没有缓存，如果所有商品数据都在第一次查询时添加缓存，可能会给数据库带来较大压力。

缓存预热：在实际开发中，我们可以利用大数据统计用户访问的热点数据，在项目启动时将这些热点数据提前查询并保存到Redis中。

@Component
public class RedisHandler implements InitializingBean {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;
    @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception { 
        // 初始化缓存 ... 
    }
}

查询Redis缓存

OpenResty的Redis模块

OpenResty提供了操作Redis的模块

-- 引入redis模块
local redis = require("resty.redis")
-- 初始化Redis对象
local red = redis:new()
-- 设置Redis超时时间
red:set_timeouts(1000, 1000, 1000)

封装函数，用来释放Redis连接，其实是放入连接池

-- 关闭redis连接的工具方法，其实是放入连接池
local function close_redis(red)  
    local pool_max_idle_time = 10000 -- 连接的空闲时间，单位是毫秒  
    local pool_size = 100 --连接池大小  
    local ok, err = red:set_keepalive(pool_max_idle_time, pool_size)  
    if not ok then  
        ngx.log(ngx.ERR, "放入Redis连接池失败: ", err)  
    end  
end

封装函数，从Redis读数据并返回

-- 查询redis的方法 ip和port是redis地址，key是查询的key
local function read_redis(ip, port, key)
    -- 获取一个连接
    local ok, err = red:connect(ip, port)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "连接redis失败 : ", err)
        return nil
    end
    -- 查询redis
    local resp, err = red:get(key)
    -- 查询失败处理
    if not resp then
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis失败: ", err, ", key = " , key)
    end
    --得到的数据为空处理
    if resp == ngx.null then
        resp = nil
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis数据为空, key = ", key)
    end
    close_redis(red)
    return resp
end

业务实现

-- 封装函数，先查询redis，再查询http
local function read_data(key, path, params)
    -- 查询redis
    local resp = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
    -- 判断redis是否命中
    if not resp then
        -- Redis查询失败，查询http
        resp = read_http(path, params)
    end
    return resp
end

Nginx本地缓存

开启共享词典，在nginx.conf的http下添加配置：

# 共享字典，也就是本地缓存，名称叫做：item_cache，大小150m
lua_shared_dict item_cache 150m;

操作共享字典

-- 获取本地缓存对象
local item_cache = ngx.shared.item_cache
-- 存储, 指定key、value、过期时间，单位s，默认为0代表永不过期
item_cache:set('key', 'value', 1000)
-- 读取
local val = item_cache:get('key')

修改后的查询逻辑

-- 封装函数，先查询本地缓存，再查询redis，再查询http
local function read_data(key, expire, path, params)
    -- 读取本地缓存
    local val = item_cache:get(key)
    if not val then
        -- 缓存未命中，记录日志
        ngx.log(ngx.ERR, "本地缓存查询失败, key: ", key , ", 尝试redis查询")
        -- 查询redis
        val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
        -- 判断redis是否命中
        if not val then
            ngx.log(ngx.ERR, "Redis缓存查询失败, key: ", key , ", 尝试http查询")
            -- Redis查询失败，查询http
            val = read_http(path, params)
        end
    end
    -- 写入本地缓存
    item_cache:set(key, val, expire)
    return val
end
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_data('item:id:' .. id, 1800, "/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_data('item:stock:id:' .. id, 60, "/item/stock/".. id, nil)

graph 
    A[开始] --> B{本地缓存命中?}
    B -->|是| C[返回缓存数据]
    B -->|否| D[记录日志: 本地缓存查询失败]
    D --> E[尝试redis查询]
    E --> F{Redis命中?}
    F -->|是| G[返回Redis数据]
    F -->|否| H[记录日志: Redis缓存查询失败]
    H --> I[尝试http查询]
    I --> J[返回http数据]
    J --> K[写入本地缓存]
    K --> L[返回数据]

    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style C fill:#ccf,stroke:#f66,stroke-width:2px
    style D fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style E fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style F fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style G fill:#ccf,stroke:#f66,stroke-width:2px
    style H fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style I fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style J fill:#ccf,stroke:#f66,stroke-width:2px
    style K fill:#ccf,stroke:#f66,stroke-width:2px
    style L fill:#ccf,stroke:#f66,stroke-width:2px

缓存同步策略

缓存同步策略

设置有效期：给缓存设置有效期，到期后自动删除。再次查询时更新

• 优势：简单、方便
• 缺点：时效性差，缓存过期之前可能不一致
• 场景：更新频率较低，时效性要求低的业务

同步双写：在修改数据库的同时，直接修改缓存

• 优势：时效性强，缓存与数据库强一致
• 缺点：有代码侵入，耦合度高
• 场景：对一致性、时效性要求较高的缓存数据

异步通知：修改数据库时发送事件通知，相关服务监听到通知后修改缓存数据

• 优势：低耦合，可以同时通知多个缓存服务
• 缺点：时效性一般，可能存在中间不一致状态
• 场景：时效性要求一般，有多个服务需要同步

基于MQ的异步通知：

基于Canal的异步通知：

初始Canal

canal是阿里巴巴旗下的一款开源项目，基于Java开发。基于数据库增量日志解析，提供增量数据订阅和消费。Canal是基于mysql的主从同步来实现的。

Canal就是把自己伪装成MySQL的一个slave节点，从而监听master的binary log变化。再把得到的变化信息通知给Canal的客户端，进而完成对其它数据库的同步。

安装和配置 Canal

下面我们就开启mysql的主从同步机制，让Canal来模拟salve

Canal是基于MySQL的主从同步功能，因此必须先开启MySQL的主从功能才可以。

这里以之前用Docker运行的mysql为例：

开启binlog

打开mysql容器挂载的日志文件，我的在/tmp/mysql/conf目录:

修改文件：

vi /tmp/mysql/conf/my.cnf

添加内容：

log-bin=/var/lib/mysql/mysql-bin
binlog-do-db=heima

配置解读：

• log-bin=/var/lib/mysql/mysql-bin：设置binary log文件的存放地址和文件名，叫做mysql-bin
• binlog-do-db=heima：指定对哪个database记录binary log events，这里记录heima这个库

最终效果：

[mysqld]
skip-name-resolve
character_set_server=utf8
datadir=/var/lib/mysql
server-id=1000
log-bin=/var/lib/mysql/mysql-bin
binlog-do-db=heima

设置用户权限

接下来添加一个仅用于数据同步的账户，出于安全考虑，这里仅提供对heima这个库的操作权限。

create user canal@'%' IDENTIFIED by 'canal';
GRANT SELECT, REPLICATION SLAVE, REPLICATION CLIENT,SUPER ON *.* TO 'canal'@'%' identified by 'canal';
FLUSH PRIVILEGES;

重启mysql容器即可

docker restart mysql

测试设置是否成功：在mysql控制台，或者Navicat中，输入命令：

show master status;

创建网络

我们需要创建一个网络，将MySQL、Canal、MQ放到同一个Docker网络中：

docker network create heima

让mysql加入这个网络：

docker network connect heima mysql

安装Canal

通过命令导入canal的镜像压缩包：

docker load -i canal.tar

然后运行命令创建Canal容器：

docker run -p 11111:11111 --name canal \
-e canal.destinations=heima \
-e canal.instance.master.address=mysql:3306  \
-e canal.instance.dbUsername=canal  \
-e canal.instance.dbPassword=canal  \
-e canal.instance.connectionCharset=UTF-8 \
-e canal.instance.tsdb.enable=true \
-e canal.instance.gtidon=false  \
-e canal.instance.filter.regex=heima\\..* \
--network heima \
-d canal/canal-server:v1.1.5

说明:

• -p 11111:11111：这是canal的默认监听端口
• -e canal.instance.master.address=mysql:3306：数据库地址和端口，如果不知道mysql容器地址，可以通过docker inspect 容器id来查看
• -e canal.instance.dbUsername=canal：数据库用户名
• -e canal.instance.dbPassword=canal ：数据库密码
• -e canal.instance.filter.regex=：要监听的表名称

表名称监听支持的语法：

mysql 数据解析关注的表，Perl正则表达式.
多个正则之间以逗号(,)分隔，转义符需要双斜杠(\\) 
常见例子：
1.  所有表：.*   or  .*\\..*
2.  canal schema下所有表： canal\\..*
3.  canal下的以canal打头的表：canal\\.canal.*
4.  canal schema下的一张表：canal.test1
5.  多个规则组合使用然后以逗号隔开：canal\\..*,mysql.test1,mysql.test2

监听Canal

Canal提供了各种语言的客户端，当Canal监听到binlog变化时，会通知Canal的客户端。

使用第三方开源的canal-starter

NormanGyllenhaal/canal-client: spring boot canal starter 易用的canal 客户端 canal client (github.com)

<!--canal-->
<dependency>
    <groupId>top.javatool</groupId>
    <artifactId>canal-spring-boot-starter</artifactId> 
    <version>1.2.1-RELEASE</version>
</dependency>

canal:
    destination: heima # canal实例名称，要跟canal-server运行时设置的destination一致
    server: 192.168.150.101:11111 # canal地址

package com.heima.item.canal;

// 指定要监听的表
@CanalTable("tb_item")
@Component
// 指定表关联的实体类
public class ItemHandler implements EntryHandler<Item> {

    // 监听到数据库的增、改、删 的消息
    
    @Override
    public void insert(Item item) {
        // 新增数据到redis
    }
    @Override
    public void update(Item before, Item after) {
        // 更新redis数据
        // 更新本地缓存
    }
    @Override
    public void delete(Item item) {
        // 删除redis数据
        // 清理本地缓存
    }
}

@Data
@TableName("tb_item")
public class Item {
    @TableId(type = IdType.AUTO)
    // 标记表中的id字段
    @Id
    private Long id;
    // 标记表中与属性名不一致的字段
    @Column(name = "name")
    private String name;
    private Date updateTime;
    @TableField(exist = false)
    // 标记不属于表中的字段
    @Transient
    private Integer stock;
    @TableField(exist = false)
    // 标记不属于表中的字段
    @Transient
    private Integer sold;
}