SpringBoot编程基础教程：缓存和性能优化-EW帮帮网

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

　　随着互联网web应用的发展，网站的访问量越来越大，对于后端的服务器性能要求也越来越高。而数据查询的速度直接影响到用户体验的好坏。为了解决这个问题，人们在日益复杂的web应用中加入了缓存机制来提升网站的访问速度。本文将以Spring Boot框架作为案例，从缓存实现、缓存分类及应用场景等方面入手，进行缓存相关技术的介绍和实践。通过对Spring Cache的介绍、使用及配置方法、Redis作为缓存服务器的搭建、应用集成Redis缓存等内容，能够让读者对Spring Boot下缓存的相关知识有全面的理解和掌握，并运用实际案例加深对缓存原理、应用场景和选型的理解。

2.核心概念与联系

　　　　缓存是一种提升网站访问速度的方法，其核心理念就是利用空间换取时间，避免频繁访问数据库，减少资源消耗，因此在软件设计上也是非常重要的一环。缓存可以分为三种类型：

客户端缓存（Client Side Caching）：浏览器或其他客户端的本地磁盘存储方式。比如浏览器缓存、手机APP缓存等。客户端缓存实现起来比较简单，但是不能充分利用多核CPU，而且会占用用户设备的内存。
反向代理缓存（Reverse Proxy Caching）：在服务端增加一个缓存层，所有请求都先经过缓存层，缓存层会检查是否存在缓存副本，如果存在则直接返回响应，否则才去源站获取资源并将结果返回给客户端。反向代理缓存能够最大化地提升网站的访问速度，但同时也引入了一定的复杂性和风险。
服务端缓存（Server Side Caching）：在服务端保存资源副本，当下一次相同请求发生时，可以直接返回缓存副本，这样就避免了重复计算，缩短响应时间。虽然比起客户端缓存更省事，但由于需要维护缓存，因此更新缓存的周期、大小等都要考虑。

　　　　本文主要介绍Spring Boot下基于Java中的Spring Cache模块来实现缓存，Spring Cache模块由Spring Framework提供支持。它提供了多种缓存注解如@Cacheable、@Caching、@CachePut、@CacheEvict、@CacheConfig、@CacheKeyGenerator等用于声明缓存规则。Spring Boot在整合Spring Cache的过程中还封装了很多便捷的方式，使开发者可以快速的完成缓存的配置和管理。

　　　　　　一般来说，反向代理缓存与客户端缓存配合使用，提高静态资源的访问速度；而服务端缓存可以根据不同的业务场景选择使用，例如：查询热点数据可以使用服务端缓存，而查询冷数据可以使用客户端缓存，提高查询效率。总之，缓存策略需要根据实际情况制定。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

　　缓存通常是为了加快应用运行速度而使用的一种技术，其关键在于如何缓存有效的数据。实现缓存往往依赖于缓存算法，包括LRU算法(最近最少使用)、FIFO算法(先进先出)、LFU算法(最近最不常用)等。本节将以LRU算法为例，详细介绍LRU算法的原理及其在缓存中的应用。

LRU（Least Recently Used，最近最少使用）算法，是页面置换算法的一种。该算法选择最近最久未被访问到的页面予以淘汰。其基本思想是如果某页被访问，则把该页放至栈顶，如果再次访问该页，则将其移至栈顶。当某个页被访问时，若其在栈底，则栈底的页变为栈顶，即栈底的页被淘汰出栈。

下图展示了LRU算法的缓存工作原理。假设现有4个页面P1，P2，P3，P4，初始状态时，P1在栈顶，其它页面依次往下排列。

当访问页面P2时，将其移动至栈顶，栈结构如下所示：

当访问页面P1时，将其淘汰掉，栈结构如下所示：

当再次访问页面P1时，将其重新加载并移动至栈顶，栈结构如下所示：

从图中可见，访问顺序为P2->P1->P1，当再次访问页面P1时，将其重新加载并移动至栈顶。

在缓存的实际应用中，LRU算法可以用来控制缓存容量，达到缓存命中率最大化，且保证最新的缓存元素优先被淘汰。通过设置缓存超时时间，当缓存项超时时，会自动失效，从而保证缓存项的 freshness。

通过调整访问频率，可以将热点数据缓存到内存中，降低缓存的IO负载，提高缓存命中率；通过设置超时时间，可以保证热点数据的有效期，防止缓存数据过期；通过调整算法参数，可以调控缓存的分配比例，平衡缓存空间和命中率。

4.具体代码实例和详细解释说明

4.1 安装Redis

下载安装包：http://redis.io/download ，当前最新版本为4.0.11。
配置环境变量：添加 REDIS_HOME 指向 redis 目录，然后把 REDIS_HOME\redis-server.exe 复制到任意路径，如 D:\Programs\redis-server.exe 。
修改配置文件 redis.windows.conf，确保 port 为非默认端口 (默认为 6379)，默认情况下无法远程访问 Redis 服务。
执行命令启动 Redis 服务器：D:\Programs\redis-server.exe redis.windows.conf

4.2 创建 Spring Boot 项目

使用 Spring Initializr 生成 Spring Boot 项目

添加 Redis starter 依赖：

     <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
     </dependency>

添加 @EnableCaching 注解开启缓存功能：

 import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;

 @EnableCaching
 @SpringBootApplication
 public class DemoApplication {

     public static void main(String[] args) {
         SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
     }

 }

添加 CacheManager 配置类：

 import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
 import org.springframework.cache.CacheManager;
 import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
 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.core.RedisTemplate;
 import org.springframework.data.redis.serializer.GenericJackson2JsonRedisSerializer;
 import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializationContext;
 import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializer;

 import java.time.Duration;

 @Configuration
 @EnableCaching
 public class CacheManagerConfig {

     @Value("${spring.redis.host}")
     private String host;

     @Value("${spring.redis.port}")
     private int port;

     @Value("${spring.redis.timeout}")
     private int timeout;

     @Bean
     public RedisConnectionFactory redisConnectionFactory() {
         return new LettuceConnectionFactory();
     }

     @Bean
     public RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate() {
         RedisTemplate<Object, Object> template = new RedisTemplate<>();
         template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory());
         // 设置序列化
         GenericJackson2JsonRedisSerializer serializer = new GenericJackson2JsonRedisSerializer();
         RedisSerializer keySerializer = RedisSerializer.string();
         RedisSerializer valueSerializer = serializer;
         RedisSerializationContext.Builder<Object, Object> builder = RedisSerializationContext
                .newSerializationContext(keySerializer).value(valueSerializer);
         RedisSerializationContext<Object, Object> context = builder.build();
         template.setKeySerializer(keySerializer);
         template.setValueSerializer(valueSerializer);
         template.setHashKeySerializer(keySerializer);
         template.setHashValueSerializer(valueSerializer);
         template.afterPropertiesSet();
         return template;
     }

     /**
      * 初始化RedisCacheManager
      */
     @Bean
     public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
         // 配置序列化
         RedisCacheConfiguration config = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig().entryTtl(Duration.ofMinutes(30))
                .serializeKeysWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(RedisSerializer.string()))
                .serializeValuesWith(
                         RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer()));
         RedisCacheManager manager = RedisCacheManager.builder(connectionFactory)
                .cacheDefaults(config)
                .transactionAware()
                .build();
         return manager;
     }

 }

测试缓存效果：编写 Service 接口和 Service 实现类，分别调用 @Cacheable 和 @CacheEvict 注解来测试缓存效果。

 import com.example.demo.entity.User;
 import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;
 import org.springframework.cache.annotation.CacheEvict;
 import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
 import org.springframework.stereotype.Service;

 import javax.annotation.Resource;
 import java.util.List;

 @Service
 @CacheConfig(cacheNames = "users")// 设置缓存的名字
 public class UserService {

     @Resource
     private UserRepository userRepository;

     @Cacheable(key="'allUsers'") // 设置缓存的键
     public List<User> getAllUsers(){
         return this.userRepository.findAll();
     }

     @Cacheable(key="#id") // 设置缓存的键
     public User getUserById(Long id){
         return this.userRepository.findById(id).get();
     }

     @CacheEvict(allEntries=true)// 清空缓存
     public void saveUser(User user){
         this.userRepository.save(user);
     }

     @CacheEvict(key="#p0.id") // 根据ID清除缓存
     public void deleteUser(User user){
         this.userRepository.delete(user);
     }

 }

 import org.junit.jupiter.api.Test;
 import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
 import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;

 import static org.assertj.core.api.Assertions.*;

 @SpringBootTest
 class DemoApplicationTests {

     @Autowired
     private UserService userService;

     @Test
     void testGetAllUsers() throws Exception{
         List<User> allUsers1 = userService.getAllUsers();
         assertThat(allUsers1.size()).isGreaterThanOrEqualTo(1);// 查询数据第一次查询不走缓存
         Thread.sleep(1000);// 等待1秒，使缓存过期
         List<User> allUsers2 = userService.getAllUsers();
         assertThat(allUsers2.size()).isGreaterThanOrEqualTo(1);// 查询数据第二次查询走缓存
         assertNotSame(allUsers1, allUsers2);// 判断两个对象地址不同
     }

     @Test
     void testGetUserById() throws Exception{
         Long userId = 1L;
         User user1 = userService.getUserById(userId);
         assertThat(user1).isNotNull();// 查询数据第一次查询不走缓存
         Thread.sleep(1000);// 等待1秒，使缓存过期
         User user2 = userService.getUserById(userId);
         assertThat(user2).isNotNull();// 查询数据第二次查询走缓存
         assertSame(user1, user2);// 判断两个对象地址相同
     }

     @Test
     void testSaveUser() throws Exception{
         User user = new User("Tom", 20);
         userService.saveUser(user);
         Thread.sleep(1000);// 等待1秒，使缓存过期
         User dbUser = userService.getUserById(user.getId());
         assertThat(dbUser).isNotNull();// 保存数据之后，立刻查出数据
         assertEquals(user.getName(), dbUser.getName());// 比较查询出的数据和预期数据是否一致
         assertEquals(user.getAge(), dbUser.getAge());
     }

     @Test
     void testDeleteUser() throws Exception{
         Long userId = 1L;
         User user = userService.getUserById(userId);
         assertThat(user).isNotNull();// 删除之前查询一次
         userService.deleteUser(user);
         Thread.sleep(1000);// 等待1秒，使缓存过期
         User dbUser = userService.getUserById(userId);
         assertThat(dbUser).isNull();// 删除之后，立刻查出数据为空
         Thread.sleep(1000);// 等待1秒，使缓存过期
         User nullUser = userService.getUserById(userId);
         assertThat(nullUser).isNull();// 查不到数据
     }

 }

5.未来发展趋势与挑战

　　近年来，缓存已经成为许多应用程序的标配组件。由于其相对简单的使用，使得它能够快速的帮助优化网站的访问速度，提升用户体验。随着Web应用变得越来越复杂，涉及到更多的数据查询和复杂的业务逻辑，缓存技术已经成为优化web应用性能的关键瓶颈。

　　Spring Boot 提供的缓存模块，使开发者能够轻松的集成缓存到自己的应用中。但同时也带来了一些潜在的问题和挑战。首先，缓存依赖于各种第三方库，版本兼容问题、不稳定性等问题可能导致应用不可用。另外，缓存的分布式部署也会增加复杂度，扩展性差。

　　本文介绍了缓存相关的理论知识，并结合Spring Boot框架下的缓存模块，探讨了缓存的原理及其使用方法，通过实际案例加深了缓存的相关知识。但同时，也应该看到，缓存只是解决特定问题的工具，而并不是万能的。因此，在实践中，应该根据业务特点、系统资源、可用性等多种因素综合考虑，合理配置缓存方案，进一步提升系统性能。

SpringBoot编程基础教程：缓存和性能优化

1.背景介绍

2.核心概念与联系

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

4.具体代码实例和详细解释说明

4.1 安装Redis

4.2 创建 Spring Boot 项目

5.未来发展趋势与挑战

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