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作者個(gè)人研發(fā)的在高并發(fā)場(chǎng)景下，提供的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可擴(kuò)展的延遲消息隊(duì)列框架，具有精準(zhǔn)的定時(shí)任務(wù)和延遲隊(duì)列處理功能。自開源半年多以來(lái)，已成功為十幾家中小型企業(yè)提供了精準(zhǔn)定時(shí)調(diào)度方案，經(jīng)受住了生產(chǎn)環(huán)境的考驗(yàn)。為使更多童鞋受益，現(xiàn)給出開源框架地址：https://github.com/sunshinelyz/mykit-delay

寫在前面

在實(shí)際工作中，有一種非常普遍的并發(fā)場(chǎng)景：那就是讀多寫少的場(chǎng)景。在這種場(chǎng)景下，為了優(yōu)化程序的性能，我們經(jīng)常使用緩存來(lái)提高應(yīng)用的訪問性能。因?yàn)榫彺娣浅＿m合使用在讀多寫少的場(chǎng)景中。而在并發(fā)場(chǎng)景中，Java SDK中提供了ReadWriteLock來(lái)滿足讀多寫少的場(chǎng)景。本文我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)使用ReadWriteLock如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的緩存中心。

本文涉及的知識(shí)點(diǎn)有：

文章已收錄到：

https://github.com/sunshinelyz/technology-binghe

https://gitee.com/binghe001/technology-binghe

讀寫鎖

說(shuō)起讀寫鎖，相信小伙伴們并不陌生。總體來(lái)說(shuō)，讀寫鎖需要遵循以下原則：

• 一個(gè)共享變量允許同時(shí)被多個(gè)讀線程讀取到。
• 一個(gè)共享變量在同一時(shí)刻只能被一個(gè)寫線程進(jìn)行寫操作。
• 一個(gè)共享變量在被寫線程執(zhí)行寫操作時(shí)，此時(shí)這個(gè)共享變量不能被讀線程執(zhí)行讀操作。

這里，需要小伙伴們注意的是：讀寫鎖和互斥鎖的一個(gè)重要的區(qū)別就是：讀寫鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀共享變量，而互斥鎖不允許。所以，在高并發(fā)場(chǎng)景下，讀寫鎖的性能要高于互斥鎖。但是，讀寫鎖的寫操作是互斥的，也就是說(shuō)，使用讀寫鎖時(shí)，一個(gè)共享變量在被寫線程執(zhí)行寫操作時(shí)，此時(shí)這個(gè)共享變量不能被讀線程執(zhí)行讀操作。

讀寫鎖支持公平模式和非公平模式，具體是在ReentrantReadWriteLock的構(gòu)造方法中傳遞一個(gè)boolean類型的變量來(lái)控制。

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) { 
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); 
    readerLock = new ReadLock(this); 
    writerLock = new WriteLock(this); 
} 

另外，需要注意的一點(diǎn)是：在讀寫鎖中，讀鎖調(diào)用newCondition()會(huì)拋出UnsupportedOperationException異常，也就是說(shuō)：讀鎖不支持條件變量。

緩存實(shí)現(xiàn)

這里，我們使用ReadWriteLock快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)緩存的通用工具類，總體代碼如下所示。

public class ReadWriteLockCache<K,V> { 
    private final Map<K, V> m = new HashMap<>(); 
    private final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
    // 讀鎖 
    private final Lock r = rwl.readLock(); 
    // 寫鎖 
    private final Lock w = rwl.writeLock(); 
    // 讀緩存 
    public V get(K key) { 
        r.lock(); 
        try { return m.get(key); } 
        finally { r.unlock(); } 
    } 
    // 寫緩存 
    public V put(K key, V value) { 
        w.lock(); 
        try { return m.put(key, value); } 
        finally { w.unlock(); } 
    } 
} 

可以看到，在ReadWriteLockCache中，我們定義了兩個(gè)泛型類型，K代表緩存的Key，V代表緩存的value。在ReadWriteLockCache類的內(nèi)部，我們使用Map來(lái)緩存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，小伙伴都都知道HashMap并不是線程安全的類，所以，這里使用了讀寫鎖來(lái)保證線程的安全性，例如，我們?cè)趃et()方法中使用了讀鎖，get()方法可以被多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行讀操作;put()方法內(nèi)部使用寫鎖，也就是說(shuō)，put()方法在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程對(duì)緩存進(jìn)行寫操作。

這里需要注意的是：無(wú)論是讀鎖還是寫鎖，鎖的釋放操作都需要放到finally{}代碼塊中。

在以往的經(jīng)驗(yàn)中，有兩種向緩存中加載數(shù)據(jù)的方式，一種是：項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，將數(shù)據(jù)全量加載到緩存中，一種是在項(xiàng)目運(yùn)行期間，按需加載所需要的緩存數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，我們就分別來(lái)看看全量加載緩存和按需加載緩存的方式。

全量加載緩存

全量加載緩存相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，就是在項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)候，將數(shù)據(jù)一次性加載到緩存中，這種情況適用于緩存數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)變動(dòng)不頻繁的場(chǎng)景，例如：可以緩存一些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)字典等信息。整個(gè)緩存加載的大體流程如下所示。

將數(shù)據(jù)全量加載到緩存后，后續(xù)就可以直接從緩存中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)了。

全量加載緩存的代碼實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，這里，我就直接使用如下代碼進(jìn)行演示。

public class ReadWriteLockCache<K,V> { 
    private final Map<K, V> m = new HashMap<>(); 
    private final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
    // 讀鎖 
    private final Lock r = rwl.readLock(); 
    // 寫鎖 
    private final Lock w = rwl.writeLock(); 
     
    public ReadWriteLockCache(){ 
        //查詢數(shù)據(jù)庫(kù) 
        List<Field<K, V>> list = .....; 
        if(!CollectionUtils.isEmpty(list)){ 
            list.parallelStream().forEach((f) ->{ 
    m.put(f.getK(), f.getV); 
   }); 
        } 
    } 
    // 讀緩存 
    public V get(K key) { 
        r.lock(); 
        try { return m.get(key); } 
        finally { r.unlock(); } 
    } 
    // 寫緩存 
    public V put(K key, V value) { 
        w.lock(); 
        try { return m.put(key, value); } 
        finally { w.unlock(); } 
    } 
} 

按需加載緩存

按需加載緩存也可以叫作懶加載，就是說(shuō)：需要加載的時(shí)候才會(huì)將數(shù)據(jù)加載到緩存。具體來(lái)說(shuō)：就是程序啟動(dòng)的時(shí)候，不會(huì)將數(shù)據(jù)加載到緩存，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，需要查詢某些數(shù)據(jù)，首先檢測(cè)緩存中是否存在需要的數(shù)據(jù)，如果存在，則直接讀取緩存中的數(shù)據(jù)，如果不存在，則到數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入緩存。后續(xù)的讀取操作，因?yàn)榫彺嬷幸呀?jīng)存在了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，直接返回緩存的數(shù)據(jù)即可。

這種查詢緩存的方式適用于大多數(shù)緩存數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。

我們可以使用如下代碼來(lái)表示按需查詢緩存的業(yè)務(wù)。

class ReadWriteLockCache<K,V> { 
    private final Map<K, V> m = new HashMap<>(); 
    private final ReadWriteLock rwl =  new ReentrantReadWriteLock(); 
    private final Lock r = rwl.readLock(); 
    private final Lock w = rwl.writeLock(); 
    V get(K key) { 
        V v = null; 
        //讀緩存 
        r.lock();         
        try { 
            v = m.get(key); 
        } finally{ 
            r.unlock();     
        } 
        //緩存中存在，返回 
        if(v != null) {   
            return v; 
        }   
        //緩存中不存在，查詢數(shù)據(jù)庫(kù) 
        w.lock();      
        try { 
     //再次驗(yàn)證緩存中是否存在數(shù)據(jù) 
            v = m.get(key); 
            if(v == null){  
                //查詢數(shù)據(jù)庫(kù) 
                v=從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出來(lái)的數(shù)據(jù) 
                m.put(key, v); 
            } 
        } finally{ 
            w.unlock(); 
        } 
        return v;  
    } 
} 

這里，在get()方法中，首先從緩存中讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)，我們對(duì)查詢緩存的操作添加了讀鎖，查詢返回后，進(jìn)行解鎖操作。判斷緩存中返回的數(shù)據(jù)是否為空，不為空，則直接返回?cái)?shù)據(jù);如果為空，則獲取寫鎖，之后再次從緩存中讀取數(shù)據(jù)，如果緩存中不存在數(shù)據(jù)，則查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入緩存，釋放寫鎖。最終返回結(jié)果數(shù)據(jù)。

這里，有小伙伴可能會(huì)問：為啥程序都已經(jīng)添加寫鎖了，在寫鎖內(nèi)部為啥還要查詢一次緩存呢?

這是因?yàn)樵诟卟l(fā)的場(chǎng)景下，可能會(huì)存在多個(gè)線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)寫鎖的現(xiàn)象。例如：第一次執(zhí)行g(shù)et()方法時(shí)，緩存中的數(shù)據(jù)為空。如果此時(shí)有三個(gè)線程同時(shí)調(diào)用get()方法，同時(shí)運(yùn)行到 w.lock()代碼處，由于寫鎖的排他性。此時(shí)只有一個(gè)線程會(huì)獲取到寫鎖，其他兩個(gè)線程則阻塞在w.lock()處。獲取到寫鎖的線程繼續(xù)往下執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)寫入緩存，之后釋放寫鎖。

此時(shí)，另外兩個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)寫鎖，某個(gè)線程會(huì)獲取到鎖，繼續(xù)往下執(zhí)行，如果在w.lock()后沒有v = m.get(key); 再次查詢緩存的數(shù)據(jù)，則這個(gè)線程會(huì)直接查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)寫入緩存后釋放寫鎖。最后一個(gè)線程同樣會(huì)按照這個(gè)流程執(zhí)行。

這里，實(shí)際上第一個(gè)線程已經(jīng)查詢過數(shù)據(jù)庫(kù)，并且將數(shù)據(jù)寫入緩存了，其他兩個(gè)線程就沒必要再次查詢數(shù)據(jù)庫(kù)了，直接從緩存中查詢出相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。所以，在w.lock()后添加v = m.get(key); 再次查詢緩存的數(shù)據(jù)，能夠有效的減少高并發(fā)場(chǎng)景下重復(fù)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的問題，提升系統(tǒng)的性能。

讀寫鎖的升降級(jí)

關(guān)于鎖的升降級(jí)，小伙伴們需要注意的是：在ReadWriteLock中，鎖是不支持升級(jí)的，因?yàn)樽x鎖還未釋放時(shí)，此時(shí)獲取寫鎖，就會(huì)導(dǎo)致寫鎖永久等待，相應(yīng)的線程也會(huì)被阻塞而無(wú)法喚醒。

雖然不支持鎖升級(jí)，但是ReadWriteLock支持鎖降級(jí)，例如，我們來(lái)看看官方的ReentrantReadWriteLock示例，如下所示。

class CachedData { 
    Object data; 
    volatile boolean cacheValid; 
    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
 
    void processCachedData() { 
        rwl.readLock().lock(); 
        if (!cacheValid) { 
            // Must release read lock before acquiring write lock 
            rwl.readLock().unlock(); 
            rwl.writeLock().lock(); 
            try { 
                // Recheck state because another thread might have 
                // acquired write lock and changed state before we did. 
                if (!cacheValid) { 
                    data = ... 
                    cacheValid = true; 
                } 
                // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock 
                rwl.readLock().lock(); 
            } finally { 
                rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read 
            } 
        } 
 
        try { 
            use(data); 
        } finally { 
            rwl.readLock().unlock(); 
        } 
    } 
}} 

數(shù)據(jù)同步問題

首先，這里說(shuō)的數(shù)據(jù)同步指的是數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)緩存之間的數(shù)據(jù)同步，說(shuō)的再直接一點(diǎn)，就是數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存之間的數(shù)據(jù)同步。

這里，我們可以采取三種方案來(lái)解決數(shù)據(jù)同步的問題，如下圖所示

超時(shí)機(jī)制

這個(gè)比較好理解，就是在向緩存寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，給一個(gè)超時(shí)時(shí)間，當(dāng)緩存超時(shí)后，緩存的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)從緩存中移除，此時(shí)程序再次訪問緩存時(shí)，由于緩存中不存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)得到數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)寫入緩存。

采用這種方案需要注意緩存的穿透問題，有關(guān)緩存穿透、擊穿、雪崩的知識(shí)，小伙伴們可以參見《【高并發(fā)】面試官：講講什么是緩存穿透?擊穿?雪崩?如何解決?》

定時(shí)更新緩存

這種方案是超時(shí)機(jī)制的增強(qiáng)版，在向緩存中寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，同樣給一個(gè)超時(shí)時(shí)間。與超時(shí)機(jī)制不同的是，在程序后臺(tái)單獨(dú)啟動(dòng)一個(gè)線程，定時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)寫入緩存中，這樣能夠在一定程度上避免緩存的穿透問題。

實(shí)時(shí)更新緩存

這種方案能夠做到數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)與緩存的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)同步的，可以使用阿里開源的Canal框架實(shí)現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)與緩存數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步。也可以使用我個(gè)人開源的mykit-data框架哦(推薦使用)~~

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