SpringBoot如何缓存方法返回值？

2024-06-03 07:05:50

Why？

为什么要对方法的返回值进行缓存呢？

简单来说是为了提升后端程序的性能和提高前端程序的访问速度。减小对db和后端应用程序的压力。

一般而言，缓存的内容都是不经常变化的，或者轻微变化对于前端应用程序是可以容忍的。

否则，不建议加入缓存，因为增加缓存会使程序复杂度增加，还会出现一些其他的问题，比如缓存同步，数据一致性，更甚者，可能出现经典的缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩问题。

HowDo

如何缓存方法的返回值？应该会有很多的办法，本文简单描述两个比较常见并且比较容易实现的办法：

自定义注解
SpringCache

annotation

整体思路：

第一步：定义一个自定义注解，在需要缓存的方法上面添加此注解，当调用该方法的时候，方法返回值将被缓存起来，下次再调用的时候将不会进入该方法。其中需要指定一个缓存键用来区分不同的调用，建议为：类名+方法名+参数名

第二步：编写该注解的切面，根据缓存键查询缓存池，若池中已经存在则直接返回不执行方法；若不存在，将执行方法，并在方法执行完毕写入缓冲池中。方法如果抛异常了，将不会创建缓存

第三步：缓存池，首先需要尽量保证缓存池是线程安全的，当然了没有绝对的线程安全。其次为了不发生缓存臃肿的问题，可以提供缓存释放的能力。另外，缓存池应该设计为可替代，比如可以丝滑得在使用程序内存和使用redis直接调整。

MethodCache

创建一个名为MethodCache 的自定义注解


package com.ramble.methodcache.annotation;
import java.lang.annotation.*;

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD})
public @interface MethodCache {

}

MethodCacheAspect

编写MethodCache注解的切面实现


package com.ramble.methodcache.annotation;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.Around;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.Arrays;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

@Slf4j
@Aspect
@Component
public class MethodCacheAspect {

    private static final Map<String, Object> CACHE_MAP = new ConcurrentHashMap<>();
    
    @Around(value = "@annotation(methodCache)")
    public Object around(ProceedingJoinPoint jp, MethodCache methodCache) throws Throwable {
        String className = jp.getSignature().getDeclaringType().getSimpleName();
        String methodName = jp.getSignature().getName();
        String args = String.join(",", Arrays.toString(jp.getArgs()));
        String key = className + ":" + methodName + ":" + args;
        // key 示例：DemoController:findUser:[FindUserParam(id=1, name=c7)]
        log.debug("缓存的key={}", key);
        Object cache = getCache(key);
        if (null != cache) {
            log.debug("走缓存");
            return cache;
        } else {
            log.debug("不走缓存");
            Object value = jp.proceed();
            setCache(key, value);
            return value;
        }
    }
    
    private Object getCache(String key) {
        return CACHE_MAP.get(key);
    }
    
    private void setCache(String key, Object value) {
        CACHE_MAP.put(key, value);
    }
}

Around：对被MethodCache注解修饰的方法启用环绕通知
ProceedingJoinPoint：通过此对象获取方法所在类、方法名和参数，用来组装缓存key
CACHE_MAP：缓存池，生产环境建议使用redis等可以分布式存储的容器，直接放程序内存不利于后期业务扩张后多实例部署

controller


package com.ramble.methodcache.controller;
import com.ramble.methodcache.annotation.MethodCache;
import com.ramble.methodcache.controller.param.CreateUserParam;
import com.ramble.methodcache.controller.param.FindUserParam;
import com.ramble.methodcache.service.DemoService;
import io.swagger.v3.oas.annotations.Operation;
import io.swagger.v3.oas.annotations.tags.Tag;
import lombok.RequiredArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

@Tag(name = "demo - api")
@Slf4j
@RequiredArgsConstructor
@RestController
@RequestMapping("/demo")
public class DemoController {

    private final DemoService demoService;
    
    @MethodCache
    @GetMapping("/{id}")
    public String getUser(@PathVariable("id") String id) {
        return demoService.getUser(id);
    }
    
    @Operation(summary = "查询用户")
    @MethodCache
    @PostMapping("/list")
    public String findUser(@RequestBody FindUserParam param) {
        return demoService.findUser(param);
    }
}

通过反复调用被@MethodCache注解修饰的方法，会发现若缓存池有数据，将不会进入方法体。

SpringCache

其实SpringCache的实现思路和上述方法基本一致，SpringCache提供了更优雅的编程方式，更丝滑的缓存池切换和管理，更强大的功能和统一规范。

EnableCaching

使用 @EnableCaching 开启SpringCache功能，无需引入额外的pom。

默认情况下，缓存池将由 ConcurrentMapCacheManager 这个对象管理，也就是默认是程序内存中缓存。其中用于存放缓存数据的是一个 ConcurrentHashMap，源码如下：


public class ConcurrentMapCacheManager implements CacheManager, BeanClassLoaderAware {

    private final ConcurrentMap<String, Cache> cacheMap = new ConcurrentHashMap(16);
    
   
    ......
    
}

此外可选的缓存池管理对象还有：

EhCacheCacheManager
JCacheCacheManager
RedisCacheManager
......

Cacheable


package com.ramble.methodcache.controller;
import com.ramble.methodcache.controller.param.FindUserParam;
import com.ramble.methodcache.service.DemoService;
import io.swagger.v3.oas.annotations.Operation;
import io.swagger.v3.oas.annotations.tags.Tag;
import lombok.RequiredArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

@Tag(name = "user - api")
@Slf4j
@RequiredArgsConstructor
@RestController
@RequestMapping("/user")
public class UserController {

    private final DemoService demoService;
    
    @Cacheable(value = "userCache")
    @GetMapping("/{id}")
    public String getUser(@PathVariable("id") String id) {
        return demoService.getUser(id);
    }
    
    @Operation(summary = "查询用户")
    @Cacheable(value = "userCache")
    @PostMapping("/list")
    public String findUser(@RequestBody FindUserParam param) {
        return demoService.findUser(param);
    }
}

使用@Cacheable注解修饰需要缓存返回值的方法
value必填，不然运行时报异常。类似一个分组，将不同的数据或者方法（当然也可以其他维度，主要看业务需要）放到一堆，便于管理
可以修饰接口方法，但是不建议，IDEA会报一个提示Spring doesn't recommend to annotate interface methods with @Cache* annotation

常用属性：

value：缓存名称
cacheNames：缓存名称。value 和cacheNames都被AliasFor注解修饰，他们互为别名
key：缓存数据时候的key，默认使用方法参数的值，可以使用SpEL生产key
keyGenerator：key生产器。和key二选一
cacheManager：缓存管理器
cacheResolver：和caheManager二选一，互为别名
condition：创建缓存的条件，可用SpEL表达式（如#id>0，表示当入参id大于0时候才缓存方法返回值）
unless：不创建缓存的条件，如#result==null，表示方法返回值为null的时候不缓存

CachePut

用来更新缓存。被CachePut注解修饰的方法，在被调用的时候不会校验缓存池中是否已经存在缓存，会直接发起调用，然后将返回值放入缓存池中。

CacheEvict

用来删除缓存，会根据key来删除缓存中的数据。并且不会将本方法返回值缓存起来。

常用属性：

value/cacheeName：缓存名称，或者说缓存分组
key：缓存数据的键
allEntries：是否根据缓存名称清空所有缓存，默认为false。当此值为true的时候，将根据cacheName清空缓存池中的数据，然后将新的返回值放入缓存
beforeInvocation：是否在方法执行之前就清空缓存，默认为false

Caching

此注解用于在一个方法或者类上面，同时指定多个SpringCache相关注解。这个也是SpringCache的强大之处，可以自定义各种缓存创建、更新、删除的逻辑，应对复杂的业务场景。

属性：

cacheable：指定@Cacheable注解
put：指定@CachePut注解
evict：指定@CacheEvict注解

源码：


@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
@Documented
public @interface Caching {
    Cacheable[] cacheable() default {};

    CachePut[] put() default {};

    CacheEvict[] evict() default {};
}

相当于就是注解里面套注解，用来完成复杂和多变的场景，这个设计相当的哇塞。

CacheConfig

放在类上面，那么类中所有方法都会被缓存

SpringCacheEnv

SpringCache内置了一些环境变量，可用于各个注解的属性中。

methodName：被修饰方法的方法名
method：被修饰方法的Method对象
target：被修饰方法所属的类对象的实例
targetClass：被修饰方法所属类对象
args：方法入参，是一个 object[] 数组
caches：这个对象其实就是ConcurrentMapCacheManager中的cacheMap，这个cacheMap呢就是一开头提到的ConcurrentHashMap，即缓存池。caches的使用场景尚不明了。
argumentName：方法的入参
result：方法执行的返回值

使用示例：


@Cacheable(value = "userCache", condition = "#result!=null",unless = "#result==null")
public String showEnv() { 
    return "打印各个环境变量";
 }

表示仅当方法返回值不为null的时候才缓存结果，这里通过result env 获取返回值。

另外，condition 和 unless 为互补关系，上述condition = "#result!=null"和unless = "#result==null"其实是一个意思。


@Cacheable(value = "userCache", key = "#name")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用方法入参作为该条缓存数据的key，若传入的name为gg，则实际缓存的数据为：gg->打印各个环境变量

另外，如果name为空会报异常，因为缓存key不允许为null


@Cacheable(value = "userCache",key = "#root.args")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用方法的入参作为缓存的key，若传递的参数为id=100，name=gg，则实际缓存的数据为：Object[]->打印各个环境变量，Object[]数组中包含两个值。

既然是数组，可以通过下标进行访问，root.args[1] 表示获取第二个参数，本例中即取 name 的值 gg，则实际缓存的数据为：gg->打印各个环境变量。


@Cacheable(value = "userCache",key = "#root.targetClass")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用被修饰的方法所属的类作为缓存key，实际缓存的数据为：Class->打印各个环境变量，key为class对象，不是全限定名，全限定名是一个字符串，这里是class对象。

可是，不是很懂这样设计的应用场景是什么......


@Cacheable(value = "userCache",key = "#root.target")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用被修饰方法所属类的实例作为key，实际缓存的数据为：UserController->打印各个环境变量。

被修饰的方法就是在UserController中，调试的时候甚至可以获取到此实例注入的其它容器对象，如userService等。

可是，不是很懂这样设计的应用场景是什么......


@Cacheable(value = "userCache",key = "#root.method")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用Method对象作为缓存的key，是Method对象，不是字符串。

可是，不是很懂这样设计的应用场景是什么......


@Cacheable(value = "userCache",key = "#root.methodName")
public String showEnv(String id, String name) {
    return "打印各个环境变量";
}

表示使用方法名作为缓存的key，就是一个字符串。

如何获取缓存的数据？

ConcurrentMapCacheManager的cacheMap是一个私有变量，所以没有办法可以打印缓存池中的数据，不过可以通过调试的方式进入对象内部查看。如下：


@Tag(name = "user - api")
@Slf4j
@RequiredArgsConstructor
@RestController
@RequestMapping("/user")
public class UserController {

    private final ConcurrentMapCacheManager cacheManager;
    
    /**
     * 只有调试才课可以查看缓存池中的数据
     */
    @GetMapping("/cache")
    public void showCacheData() {
        //需要debug进入
        Collection<String> cacheNames = cacheManager.getCacheNames();
    }
    
}

总结：

虽然提供了很多的环境变量，但是大多都无法找到对应的使用场景，其实在实际开发中，最常见的就是key的生产，一般而言使用类名+方法名+参数值足矣。

码农公寓

Why？

HowDo

annotation

MethodCache

MethodCacheAspect

controller

SpringCache

EnableCaching

Cacheable

CachePut

CacheEvict

Caching

CacheConfig

SpringCacheEnv

总结：

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