緩存（ Cache ）機制是提高系統運行性能必不可少的技術(shù)。緩存機制從原理上講比較簡(jiǎn)單，就是在原始數據第一次讀取后保存在內存中，下次讀取時(shí)，就直接從內存中讀取。原始數據有可能保存在持久化介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò )上。緩存機制也是代理模式的一種實(shí)現。
緩存原理和實(shí)現
Jive 的 Cache 總體來(lái)說(shuō)實(shí)現得不是非常精簡(jiǎn)和有效。它是針對每個(gè)具體數據對象逐個(gè)實(shí)現緩沖，這種“窮盡”的辦法不是實(shí)踐所推薦的用法。通過(guò)使用動(dòng)態(tài)代理模式，可以根據具體方法的不同來(lái)實(shí)現緩存是值得推薦的做法。 Jive 的緩存實(shí)現得比較簡(jiǎn)單，可以用來(lái)學(xué)習和研究緩存機制。
Jive 中的 Cache 實(shí)現了緩存機制的大部分行為，它是將對象用惟一的關(guān)鍵字 Key 作標識保存在 HashMap 或 Hashtable 中。當然，必須知道這些對象的大小，這個(gè)前提條件的設定可以保證緩存增長(cháng)時(shí)不會(huì )超過(guò)規定的最大值。
如果緩存增長(cháng)得太大，一些不經(jīng)常被訪(fǎng)問(wèn)的對象將首先從緩存中刪除。如果設置了對象的最大生命周期時(shí)間，即使這個(gè)對象被反復頻繁訪(fǎng)問(wèn)，也將從緩存中刪除。這個(gè)特性可以適用于一些周期性需要刷新的數據，如來(lái)自數據庫的數據。
在 Cach 中除了 getObject() 方法的性能依據緩存大小，其他方法的性能都是比較快的。一個(gè) HashMap 用來(lái)實(shí)現快速尋找，兩個(gè) LinkedList 中一個(gè)以一定的訪(fǎng)問(wèn)順序來(lái)保存對象，叫 accessed LinkedList ；另外一個(gè)以它們加入緩存的順序保存這些對象，這種保存對象只是保存對象的引用，叫 age LinkedList 。注意，這里的 LinkedList 不是 JDK 中的 LinkedList ，而是 Jive 自己定義的 LinkedList 。
當對象被加入緩存時(shí)，首先被 CacheObject 封裝。封裝有以下信息：對象大?。ㄒ宰止澯嬎悖?，一個(gè)指向 accessed LinkedList 的引用，一個(gè)指向 age LinkedList 的引用。
當從緩存中獲取一個(gè)對象如 ObjectA 時(shí)，首先， HashMap 尋找到指向封裝 ObjectA 等信息的 CacheObject 對象。然后，這個(gè)對象將被移動(dòng)到 accessed LinkedList 的前面，還有其他一些動(dòng)作如緩存清理、刪除、過(guò)期失效等都是在這個(gè)動(dòng)作中一起觸發(fā)實(shí)現的。
public class Cache implements Cacheable {
/**
* 因為 System.currentTimeMillis() 執行非常耗費性能，因此如果 get 操作都執行
* 這條語(yǔ)句將會(huì )形成性能瓶頸， 通過(guò)一個(gè)全局時(shí)間戳來(lái)實(shí)現每秒更新
* 當然，這意味著(zhù)在緩存過(guò)期時(shí)間計算上有一到幾秒的誤差
*/
protected static long currentTime = CacheTimer.currentTime;
//CacheObject 對象
protected HashMap cachedObjectsHash;
//accessed LinkedList 最經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的排列在最前面
protected LinkedList lastAccessedList;
// 以緩存加入順序排列，最后加入排在最前面；越早加入的排在最后面
protected LinkedList ageList;
// 緩存最大限制 默認是 128k 可根據內存設定，越大性能越高
protected int maxSize = 128 * 1024;
// 當前緩存的大小
protected int size = 0;
// 最大生命周期時(shí)間，默認是沒(méi)有
protected long maxLifetime = -1;
// 緩存的擊中率，用于評測緩存效率
protected long cacheHits, cacheMisses = 0L;
public Cache() {
// 構造 HashMap. 默認 capacity 是 11
// 如果實(shí)際大小超過(guò) 11 ， HashMap 將自動(dòng)擴充，但是每次擴充都
// 是性能開(kāi)銷(xiāo)，因此期初要設置大一點(diǎn)
cachedObjectsHash = new HashMap(103);
lastAccessedList = new LinkedList();
ageList = new LinkedList();
}
public Cache(int maxSize) {
this();
this.maxSize = maxSize;
}
public Cache(long maxLifetime) {
this();
this.maxLifetime = maxLifetime;
}
public Cache(int maxSize, long maxLifetime) {
this();
this.maxSize = maxSize;
this.maxLifetime = maxLifetime;
}
public int getSize() { return size; }
public int getMaxSize() { return maxSize; }
public void setMaxSize(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
// 有可能緩存大小超過(guò)最大值，需要激活刪除清理動(dòng)作
cullCache();
}
public synchronized int getNumElements() {
return cachedObjectsHash.size();
}
/**
* 增加一個(gè) Cacheable 對象
* 因為 HashMap 不是線(xiàn)程安全的，所以操作方法要使用同步
* 如果使用 Hashtable 就不必同步
*/
public synchronized void add(Object key, Cacheable object) {
// 刪除已經(jīng)存在的 key
remove(key);
int objectSize = object.getSize();
// 如果被緩存對象的大小超過(guò)最大值，就放棄
if (objectSize > maxSize * .90) { return; }
size += objectSize;
// 創(chuàng )建一個(gè) CacheObject 對象
CacheObject cacheObject = new CacheObject(object, objectSize);
cachedObjectsHash.put(key, cacheObject); // 保存這個(gè) CacheObject
// 加入 accessed LinkedList ， Jive 自己的 LinkedList 在加入時(shí)可以返回值
LinkedListNode lastAccessedNode = lastAccessedList.addFirst(key);
// 保存引用
cacheObject.lastAccessedListNode = lastAccessedNode;
// 加入到 age LinkedList
LinkedListNode ageNode = ageList.addFirst(key);
// 這里直接調用 System.currentTimeMillis(); 用法值得討論
ageNode.timestamp = System.currentTimeMillis();
// 保存引用
cacheObject.ageListNode = ageNode;
// 做一些清理工作
cullCache();
}
/**
* 從緩存中獲得一個(gè)被緩存的對象，這個(gè)方法在下面兩種情況返回空
* <li> 該對象引用從來(lái)沒(méi)有被加入緩存中
* <li> 對象引用因為過(guò)期被清除 </ul>
*/
public synchronized Cacheable get(Object key) {
// 清除過(guò)期緩存
deleteExpiredEntries();
// 以 Key 從緩存中獲取一個(gè)對象引用
CacheObject cacheObject = (CacheObject)cachedObjectsHash.get(key);
if (cacheObject == null) {
// 不存在，增加未命中率
cacheMisses++;
return null;
}
// 存在，增加命中率
cacheHits++;
// 從 accessed LinkedList 中將對象從當前位置刪除
// 重新插入在第一個(gè)
cacheObject.lastAccessedListNode.remove();
lastAccessedList.addFirst(cacheObject.lastAccessedListNode);
return cacheObject.object;
}
…
}
在 Cache 中，關(guān)鍵字 Key 是一個(gè)對象，為了再次提高性能，可以進(jìn)一步將 Key 確定為一個(gè) long 類(lèi)型的整數。
緩存使用
建立 LongCache 只是為了提高原來(lái)的 Cache 性能，本身無(wú)多大意義，可以將 LongCache 看成與 Cache 一樣的類(lèi)。
LongCache 的關(guān)鍵字 Key 是 Forum 、 ForumThread 以及 ForumMessage 等 long 類(lèi)型的 ID ，值 Value 是 Forum 、 ForumThread 以及 ForumMessage 等的對象。這些基本是通過(guò) DatabaseCacheManager 實(shí)現完成，在主要類(lèi) DbForumFactory 的初始化構造時(shí)，同時(shí)構造了 DatabaseCacheManager 的實(shí)例 cacheManager 。
前面過(guò)濾器功能分析中， Message 對象獲得方法的第一句如下：
protected ForumMessage getMessage(long messageID, long threadID, long forumID) throws
ForumMessageNotFoundException {
DbForumMessage message = cacheManager.messageCache.get(messageID);
…
}
其中， cacheManager 是 DatabaseCacheManager 的實(shí)例， DatabaseCacheManager 是一個(gè)緩存 Facade 類(lèi)。在其中包含了 5 種類(lèi)型的緩存，都是針對 Jive 的 5 個(gè)主要對象， DatabaseCacheManager 主要代碼如下：
public class DatabaseCacheManager {
…
public UserCache userCache; // 用戶(hù)資料緩存
public GroupCache groupCache; // 組資料緩存
public ForumCache forumCache; //Forum 論壇緩存
public ForumThreadCache threadCache; //Thread 主題緩存
public ForumMessageCache messageCache; //Message 緩存
public UserPermissionsCache userPermsCache; // 用戶(hù)權限緩存
public DatabaseCacheManager(DbForumFactory factory) {
…
forumCache =
new ForumCache(new LongCache(forumCacheSize, 6*HOUR), factory);
threadCache =
new ForumThreadCache(
new LongCache(threadCacheSize, 6*HOUR), factory);
messageCache = new ForumMessageCache(
new LongCache(messageCacheSize, 6*HOUR), factory);
userCache = new UserCache(
new LongCache(userCacheSize, 6*HOUR), factory);
groupCache = new GroupCache(
new LongCache(groupCacheSize, 6*HOUR), factory);
userPermsCache = new UserPermissionsCache(
new UserPermsCache(userPermCacheSize, 24*HOUR), factory
);
}
…
}
從以上代碼看出， ForumCache 等對象生成都是以 LongCache 為基礎構建的，以 ForumCache 為例，代碼如下：
public class ForumCache extends DatabaseCache {
// 以 Cache 構建 ID 緩存
protected Cache forumIDCache = new Cache(128*1024, 6*JiveGlobals.HOUR);
// 以 LongCache 構建整個(gè)對象緩存
public ForumCache(LongCache cache, DbForumFactory forumFactory) {
super(cache, forumFactory);
}
public DbForum get(long forumID) throws ForumNotFoundException {
…
DbForum forum = (DbForum)cache.get(forumID);
if (forum == null) { // 如果緩存沒(méi)有從數據庫中獲取
forum = new DbForum(forumID, factory);
cache.add(forumID, forum);
}
return forum;
}
public Forum get(String name) throws ForumNotFoundException {
// 以 name 為 key ，從 forumIDCache 中獲取 ID
CacheableLong forumIDLong = (CacheableLong)forumIDCache.get(name);
if (forumIDLong == null) { // 如果緩存沒(méi)有 從數據庫獲得
long forumID = factory.getForumID(name);
forumIDLong = new CacheableLong(forumID); // 生成一個(gè)緩存對象
forumIDCache.add(name, forumIDLong);
}
return get(forumIDLong.getLong());
}
…
}
由此可以看到， LongCache 封裝了 Cache 的核心功能，而 ForumCache 等類(lèi)則是在 LongCache 核心外又包裝了與應用系統相關(guān)的操作，這有點(diǎn)類(lèi)似裝飾（ Decorator ）模式。
從中也可以看到 Cache 和 LongCache 兩種緩存的用法。
使用 Cache 時(shí)的關(guān)鍵字 Key 是任何字段。如上面代碼中的 String name ，如果用戶(hù)大量帖子主題查詢(xún)中， Key 是 query + blockID ，見(jiàn) DbForum 中的 getThreadBlock 方法；而值 Value 則是 Long 類(lèi)型的 ID ，如 ForumID 或 ThreadID 等。
LongCache 的關(guān)鍵字 Key 是 Long 類(lèi)型的 ID ，如 ForumID 或 ThreadID 等；而值 Value 則是 Forum 、 ForumThread 或 ForumMessage 等主要具體對象。
在實(shí)際使用中，大多數是根據 ID 獲得對象。但有時(shí)并不是這樣，因此根據應用區分了兩種 Cache ，這其實(shí)類(lèi)似數據庫的數據表，除了主關(guān)鍵字外還有其他關(guān)鍵字。
小結
緩存中對象是原對象的映射，如何確保緩存中對象和原對象的一致性？即當原對象發(fā)生變化時(shí)，緩存中的對象也必須立即更新。這是緩存機制需要解決的另外一個(gè)基本技術(shù)問(wèn)題。
Jive 中是在原對象發(fā)生變化時(shí)，立即進(jìn)行清除緩存中對象，如 ForumMessage 對象的創(chuàng )建。在 DbForumThread 的 AddMessage 方法中有下列語(yǔ)句：
factory.cacheManager.threadCache.remove(this.id);
factory.cacheManager.forumCache.remove(this.forumID);
即當有新的帖子加入時(shí)，將 ForumThreadCache 和 ForumCache 相關(guān)緩沖全部清除。這樣，當有相關(guān)對象讀取時(shí)，將直接從數據庫中讀取，這是一種非常簡(jiǎn)單的緩存更新方式。
在復雜的系統，例如有一臺以上的服務(wù)器運行著(zhù) Jive 系統。如果一個(gè)用戶(hù)登陸一臺服務(wù)器后，通過(guò)這臺服務(wù)器增加新帖。那么按照上述原理，只能更新本服務(wù)器 JVM 中的緩存數據，而其他服務(wù)器則無(wú)從得知這種改變，這就需要一種分布式的緩存機制。
圖 3-7 Jive 主要對象的訪(fǎng)問(wèn)
到目前可以發(fā)現 ， 整個(gè) Jive 系統其實(shí)是圍繞 Forum 、 ForumThread 和 ForumMessage 等這些主要對象展開(kāi)的讀取、修改或創(chuàng )建等操作。由于這些對象原先持久化保存在數據庫中，為了提高性能和加強安全性， Jive 在這些對象外面分別實(shí)現兩層包裝，如圖 3-7 所示。
客戶(hù)端如果需要訪(fǎng)問(wèn)這些對象，首先要經(jīng)過(guò)它們的代理對象。進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)權限的檢查，然后再從緩存中獲取該對象。只有緩存不存在時(shí)，才會(huì )從數據庫中獲取。
這套機制是大多數應用系統都面臨的必須解決的基本功能，因此完全可以做成一個(gè)通用的可重復使用的框架。這樣在具體應用時(shí)，不必每個(gè)應用系統都架設開(kāi)發(fā)這樣的機制。其實(shí) EJB 就是這樣一套框架，實(shí)體 Bean 都由緩存機制支持，而通過(guò)設定 ejb-jar.xml 可以實(shí)現訪(fǎng)問(wèn)權限控制，這些工作都直接由 EJB 容器實(shí)現了，不必在代碼中自己來(lái)實(shí)現。剩余的工作是調整 EJB 容器的參數，使之適合應用系統的具體要求，這些將在以后章節中討論。
在 Jive 中，圖 3-7 的機制是通過(guò)不同方式實(shí)現的?；旧鲜且慌涠Ｊ剑阂粋€(gè)對象有一個(gè)緩沖對象和一個(gè)代理對象，這樣做的一個(gè)缺點(diǎn)是導致對象太多，系統變得復雜。這點(diǎn)在閱讀 Jive 源碼時(shí)可能已經(jīng)發(fā)現。
如果建立一個(gè)對象工廠(chǎng)，工廠(chǎng)內部封裝了圖 3-7 機制實(shí)現過(guò)程，客戶(hù)端可以根據不同的工廠(chǎng)輸入參數獲得具體不同的對象。這樣也許代碼結構要更加抽象和緊湊， Java 的動(dòng)態(tài)代理 API 也許是實(shí)現這個(gè)工廠(chǎng)的主要技術(shù)基礎。有興趣者可以進(jìn)一步研究提煉。
