Spring缓存

缓存是一种将数据存储在内存中的技术，方便在后续访问相同数据时能够更快地获取数据，而不必重新访问数据库或资源。

Spring缓存是Spring框架提供的一个缓存抽象，用于简化缓存的管理。Spring缓存的主要目标是提高应用程序的性能，减少对耗时资源的访问，并减少响应时间。它通过将数据存储在内存中的缓存中，以加快对数据的访问，从而提高了应用程序的响应速度。这在处理频繁访问的数据或计算昂贵的数据时特别有用。

1.核心思想

Spring缓存的核心思想是在调用一个缓存方法时，将该方法的参数和返回结果作为一个键值对存放在缓存中。当下次基于同样的参数来调用该方法时，将不再执行该方法，而是直接从缓存中获取结果并返回。因此，在使用缓存时，需要确保缓存的方法对于相同的参数要有相同的返回结果。

2.架构设计

• 业务接入层：通过AOP环绕注解可以方便地开启和维护缓存。

• 缓存管理层：通过CacheManager解耦业务接入层和缓存存储层，可以方便、快速地定制缓存存储方式。

• 缓存存储层：Spring制定了标准的缓存存储接口，只要实现这套接口，任何缓存存储方式都能轻松接入；无论是本地缓存（如ConcurrentHashMap、Ehcache），还是分布式缓存（如Redis、Memcached），对于业务接入方来说是无感的。

3.Spring缓存相关注解

• @EnableCaching：用于启用Spring的缓存抽象。在配置类上添加这个注解时，Spring会自动检测并应用缓存相关的注解，如@Cacheable、@CacheEvict等，并触发缓存的初始化过程，包括创建缓存管理器、缓存解析器等。

• @Cacheable：用于声明一个方法的结果是可缓存的。当方法首次被调用时，其结果会被存储在缓存中。之后对于相同的输入参数，该方法将不会再次执行，而是直接从缓存中返回结果。其属性包括： 

       1).value：缓存的名称，可以指定多个缓存。

       2).缓存的key，可以通过SpEL表达式动态生成。

       3).condition：满足条件时才会缓存结果。

       4).unless：除非满足条件，否则不缓存结果。

• @CacheEvict：用于从缓存中移除一个或多个条目。它通常用于在数据发生变更时，确保缓存中的数据是最新的。其属性包括：

       1).value：缓存的名称。

       2).key：要移除的缓存条目的key。

       3).allEntries：如果为true，则移除缓存中的所有条目。

       4).beforeInvocation：如果为true，则在方法执行前移除缓存条目。

• @CachePut：用于更新缓存中的数据。无论方法是否被调用过，它都会执行方法并将结果保存到缓存中。其属性与@Cacheable类似，但主要用于更新操作。

4.使用三级缓存

• 一级缓存（Singleton Objects）：存储已经完全初始化好的单例Bean。当一个Bean被成功创建并注入到其他Bean中后，它会被放入一级缓存中。

• 二级缓存（Early Singleton Objects）：存储已经完成了BeanNameAware、BeanFactoryAware等Aware接口的回调，但是还没有完全初始化的Bean。这个缓存主要用于存放早期引用的Bean，这些Bean在完成属性填充和初始化方法调用之前，就可以被其他Bean引用。

• 三级缓存（Singleton Factories）：存储Bean工厂对象（BeanFactory）创建Bean实例的工厂信息。这个缓存是为了解决构造器循环依赖问题。当Spring容器创建一个Bean时，如果这个Bean的构造器依赖于其他Bean，Spring会首先尝试创建这个Bean的实例，这个实例的引用会被放入三级缓存中。然后，Spring会尝试创建依赖的Bean，如果依赖的Bean也存在循环依赖，Spring会从三级缓存中获取Bean的早期引用，而不是再次创建一个新的实例。

Spring框架中使用的第三级缓存主要是为了提高性能和减少数据库访问次数，具体来说：

• 提高系统性能：通过缓存数据，可以避免频繁地从数据库中读取数据，降低数据库的访问压力，从而提高系统的响应速度和吞吐量。

• 减少数据库访问次数：使用缓存可以减少对数据库的直接访问次数，从而减少与数据库的网络通信次数。这对于高并发的系统来说尤为重要，可以有效地降低数据库的负载，提高系统的稳定性。

• 提高用户体验：由于缓存数据可以在内存中快速访问，因此可以大大缩短数据的读取时间，提高用户的响应速度。这样用户能够更快地获取到所需的数据，提供更好的用户体验。

• 支持动态数据更新：Spring使用的第三级缓存通常会提供缓存更新的机制。当数据库中的数据发生变化时，可以及时通知缓存系统进行数据更新，以保证缓存中的数据与数据库的数据保持一致。

• 提高系统可伸缩性：通过使用缓存，系统可以更好地扩展。当系统有更多的并发用户时，内存缓存可以帮助系统快速地响应用户请求，减少对数据库的访问次数，提高系统的可伸缩性。

此外，第三级缓存还在Spring框架的Bean管理中发挥着重要作用：

• 提高性能：第三级缓存是Spring框架中的一个重要特性，通过将Bean的实例缓存起来，可以大大提高系统的性能。在第一次访问Bean时，Spring会将其实例化并缓存起来，下次再需要该Bean时，直接从缓存中获取，避免了频繁的创建和销毁Bean实例的开销。

• 减少资源消耗：由于第三级缓存可以复用已经实例化的Bean，减少了频繁创建和销毁Bean实例的次数，可以有效地减少系统的资源消耗。特别是在高并发的场景下，使用第三级缓存可以显著降低系统的负载，提高系统的并发能力。

• 支持单例模式：Spring框架默认情况下对Bean使用单例模式管理，也就是说同一个Bean的实例在整个应用中是唯一的。通过使用第三级缓存，Spring可以保证每个Bean的实例只被创建一次，并且在整个应用中共享使用，避免了重复创建和销毁实例的开销。

• 支持AOP特性：Spring框架中的AOP（面向切面编程）特性是通过代理模式实现的，使用第三级缓存可以有效地管理代理对象的创建和销毁。在使用AOP时，Spring会将代理对象缓存到第三级缓存中，以便在需要时直接获取，提高系统的性能。

5.配置

要使用Spring缓存，需要进行以下配置：

• 向Spring配置文件导入context命名空间。

• 在Spring配置文件中启用缓存，具体是添加元素。

• 配置缓存管理器。不同的缓存实现配置不同，例如，如果使用EhCache作为缓存实现，需要先配置一个ehcache.xml文件，然后在Spring配置文件中配置EhCacheCacheManager。

6.示例

以下是一个使用Spring Cache的简单示例：

• 引入依赖：在pom.xml文件中添加Spring Cache和缓存提供者的依赖（例如使用Caffeine缓存）。

• 配置缓存：在Spring Boot应用中配置缓存管理器，如CaffeineCacheManager。

• 使用缓存注解：在服务层使用@Cacheable注解来缓存方法的返回值。

• 测试缓存：通过调用服务层方法来测试缓存功能。

7.优化策略

在Spring应用中，可以通过以下策略来优化缓存：

• 使用内存级缓存如Ehcache、Caffeine等，以提高访问速度。

• 对于分布式系统，可以使用分布式缓存如Redis、Hazelcast等，以实现跨节点的缓存共享。

• 根据数据的更新频率和业务需求，为不同的缓存条目设置合理的过期时间。

• 动态调整缓存的过期时间，以适应变化的数据访问模式。

• 防止缓存穿透：对于查询结果为空的数据，也进行缓存，但设置较短的过期时间。

• 防止缓存击穿：对热点数据设置永不过期或采用互斥锁（mutex）等方法保证同一时刻只有一个线程构建缓存。

• 防止缓存雪崩：不要让所有缓存同时过期，可以通过添加随机的过期时间来分散过期时间点。

Spring缓存是一个强大的缓存抽象框架，它提供了灵活的缓存管理机制和丰富的注解来简化缓存的使用。通过合理配置和优化策略，可以显著提高应用程序的性能和响应速度。