【高并发】在高并发环境下该如何构建应用级缓存?

冰 河 发表于 2021/12/22 15:15:59 2021/12/22
【摘要】 随着我们的系统负载越来越高,系统的性能就会有所下降,此时,我们可以很自然地想到使用缓存来解决数据读写性能低下的问题。但是,立志成为资深架构师的你,是否能够在高并发环境下合理并且高效的构建应用级缓存呢?

大家好,我是冰河~~

随着我们的系统负载越来越高,系统的性能就会有所下降,此时,我们可以很自然地想到使用缓存来解决数据读写性能低下的问题。但是,立志成为资深架构师的你,是否能够在高并发环境下合理并且高效的构建应用级缓存呢?

缓存命中率

缓存命中率是从缓存中读取数据的次数与总读取次数的比率,命中率越高越好。缓存命中率=从缓存中读取次数 / (总读取次数 (从缓存中读取次数 + 从慢速设备上读取次数))。这是一个非常重要的监控指标,如果做缓存,则应通过监控这个指标来看缓存是否工作良好。

缓存回收策略

1.基于空间

基于空间指缓存设置了存储空间,如设置为10MB,当达到存储空间上限时,按照一定的策略移除数据。

2.基于容量

基于容量指缓存设置了最大大小,当缓存的条目超过最大大小时,按照一定的策略移除旧数据。

3.基于时间

TTL(Time To Live):存活期,即缓存数据从创建开始直到到期的一个时间段(不管在这个时间段内有没有被访问,缓存数据都将过期)。
TTI(Time To Idle):空闲期,即缓存数据多久没被访问后移除缓存的时间。

4.基于对象引用

软引用:如果一个对象是软引用,则当JVM堆内存不足时,垃圾回收器可以回收这些对象。软引用适合用来做缓存,从而当JVM堆内存不足时,可以回收这些对象腾出一些空间供强引用对象使用,从而避免OOM。
弱引用:当垃圾回收器回收内存时,如果发现弱引用,则将它立即回收。相对于软引用,弱引用有更短的生命周期。

注意:只有在没有其他强引用对象引用弱引用/软引用对象时,垃圾回收时才回收该引用。即如果有一个对象(不是弱引用/软引用对象)引用了弱引用/软引用对象,那么垃圾回收时不会回收该弱引用/软引用对象。

5.回收算法

使用基于空间和基于容量的缓存会使用一定的策略移除旧数据,常见的如下。

  • FIFO(First In First Out):先进先出算法,即先放入缓存的先被移除。
  • LRU(Least Recently Used):最近最少使用算法,时间时间距离现在最久的那个被移除。
  • LFU(Least Frequently Used):最不常用算法,一定时间段内使用次数(频率)最少的那个被移除。

实际应用中基于LRU的缓存居多。

缓存类型

堆内存: 使用Java堆内存来存储对象。使用堆缓存的好处是没有序列化/反序列化,是最快的缓存。缺点也很明显,当缓存的数据量很大时,GC(垃圾回收)暂停时间会变长,存储容量受限于堆空间大小。一般通过软引用/弱引用来存储缓存对象。即当堆内存不足时,可以强制回收这部分内存释放堆内存空间。一般使用堆缓存存储较热的数据。可以使用Guava Cache、Ehcache 3.x、 MapDB实现。

堆外内存: 即缓存数据存储在堆外内存,可以减少GC暂停时间(堆对象转移到堆外,GC扫描和移动的对象变少了),可以支持更多的缓存空间(只受机器内存大小限制,不受堆空间的影响)。但是,读取数据时需要序列化/反序列化。因此,会比堆缓存慢很多。可以使用Ehcache 3.x、 MapDB实现。

磁盘缓存: 即缓存数据存储在磁盘上,在JVM重启时数据还存在,而堆/堆外缓存数据会丢失,需要重新加载。可以使用Ehcache 3.x、MapDB实现。

分布式缓存: 分布式缓存可以使用ehcache-clustered(配合Terracotta server)实现Java进程间分布式缓存。也可以使用Memcached、Redis实现。

缓存模式

单机模式: 存储最热的数据到堆缓存,相对热的数据到堆外缓存,不热的数据到磁盘缓存。
集群模式: 存储最热的数据到堆缓存,相对热的数据到对外缓存,全量数据到分布式缓存。

写在最后

如果觉得文章对你有点帮助,请微信搜索并关注「 冰河技术 」微信公众号,跟冰河学习高并发编程技术。

最后,附上并发编程需要掌握的核心技能知识图,祝大家在学习并发编程时,少走弯路。

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