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learn.lianglianglee.com/专栏/深入剖析 MyBatis 核心原理-完/09 基于 MyBatis 缓存分析装饰器模式的最佳实践.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<title>09 基于 MyBatis 缓存分析装饰器模式的最佳实践.md.html</title>
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>09 基于 MyBatis 缓存分析装饰器模式的最佳实践</h1>
<p>缓存是优化数据库性能的常用手段之一，我们在实践中经常使用的是 Memcached、Redis 等外部缓存组件，很多持久化框架提供了集成这些外部缓存的功能，同时自身也提供了内存级别的缓存，MyBatis 作为持久化框架中的佼佼者，自然也提供了这些功能。</p>
<p>MyBatis 的缓存分为一级缓存、二级缓存两个级别，并且都实现了 Cache 接口，所以这一讲我们就重点来介绍 Cache 接口及其核心实现类，这也是一级缓存和二级缓存依赖的基础实现。</p>
<p>不过在讲解这些内容之前，我先来介绍下装饰器模式，因为 Cache 模块除了提供基础的缓存功能外，还提供了多种扩展功能，而这些功能都是通过装饰器的形式提供的。</p>
<h3>装饰器模式</h3>
<p>我们在做一个产品的时候，需求会以多期的方式执行，随着产品的不断迭代，新需求也会不断出现，我们开始设计一个类的时候，可能并没有考虑到新需求的场景，此时就需要为某些组件添加新的功能来满足这些需求。</p>
<p>如果要符合开放-封闭的原则，我们最好不要直接修改已有的具体实现类，因为会破坏其已有的稳定性，在自测、集成测试以及线上回测的时候，除了要验证新需求外，还要回归测试波及的历史功能，这是让开发人员和测试人员都非常痛苦的地方，也是违反开放-封闭原则带来的最严重的问题之一。</p>
<p>除了修改原有实现之外，还有一种修改方案，那就是<strong>继承，也就是需要创建一个新的子类，然后在子类中覆盖父类的相关方法，并添加实现新需求的扩展</strong>。</p>
<p>但继承在某些场景下是不可行的，例如，要覆盖的方法被 final 关键字修饰了，那么在 Java 的语法中就无法被覆盖。使用继承方案的另一个缺点就是整个继承树的膨胀，例如，当新需求存在多种排列组合或是复杂的判断时，那就需要写非常多的子类实现。</p>
<p>正是由于这些缺点的存在，所以应该尽量多地使用组合方式进行扩展，尽量少使用继承方式进行扩展，除非迫不得已。</p>
<p><strong>装饰器模式就是一种通过组合方式实现扩展的设计模式</strong>，它可以完美地解决上述功能增强的问题。装饰器的核心思想是为已有实现类创建多个包装类，由这些新增的包装类完成新需求的扩展。</p>
<p><strong>装饰器模式使用的是组合方式，相较于继承这种静态的扩展方式，装饰器模式可以在运行时根据系统状态，动态决定为一个实现类添加哪些扩展功能。</strong></p>
<p>装饰器模式的核心类图，如下所示：</p>
<p><img src="assets/Cgp9HWAwwdGAWEZ4AAG1zgT1MQM431.png" alt="Drawing 1.png" /></p>
<p>装饰器模式类图</p>
<p>从图中可以看到，装饰器模式中的核心类主要有下面四个。</p>
<ul>
<li>Component 接口：已有的业务接口，是<strong>整个功能的核心抽象</strong>，定义了 Decorator 和 ComponentImpl 这些实现类的核心行为。JDK 中的 IO 流体系就使用了装饰器模式，其中的 InputStream 接口就扮演了 Component 接口的角色。</li>
<li>ComponentImpl 实现类：实现了上面介绍的 Component 接口，其中<strong>实现了 Component 接口最基础、最核心的功能</strong>，也就是被装饰的、原始的基础类。在 JDK IO 流体系之中的 FileInputStream 就扮演了 ComponentImpl 的角色，它实现了读取文件的基本能力，例如，读取单个 byte、读取 byte[] 数组。</li>
<li>Decorator 抽象类：所有装饰器的父类，实现了 Component 接口，<strong>其核心不是提供新的扩展能力，而是封装一个 Component 类型的字段，也就是被装饰的目标对象</strong>。需要注意的是，这个被装饰的对象可以是 ComponentImpl 对象，也可以是 Decorator 实现类的对象，之所以这么设计，就是为了实现下图的装饰器嵌套。这里的 DecoratorImpl1 装饰了 DecoratorImpl2，DecoratorImpl2 装饰了 ComponentImpl，经过了这一系列装饰之后得到的 Component 对象，除了具有 ComponentImpl 的基础能力之外，还拥有了 DecoratorImpl1 和 DecoratorImpl2 的扩展能力。JDK IO 流体系中的 FilterInputStream 就扮演了 Decorator 的角色。</li>
</ul>
<p><img src="assets/Cgp9HWAwziyAK06rAAEYwjbLXEw190.png" alt="图片1.png" /></p>
<p>Decorator 与 Component 的引用关系</p>
<ul>
<li>DecoratorImpl1、DecoratorImpl2：Decorator 的具体实现类，它们的<strong>核心就是在被装饰对象的基础之上添加新的扩展功能</strong>。在 JDK IO 流体系中的 BufferedInputStream 就扮演了 DecoratorImpl 的角色，它在原有的 InputStream 基础上，添加了一个 byte[] 缓冲区，提供了更加高效的读文件操作。</li>
</ul>
<h3>Cache 接口及核心实现</h3>
<p>Cache 接口是 MyBatis 缓存中<strong>最顶层的抽象接口</strong>，位于 org.apache.ibatis.cache 包中，<strong>定义了 MyBatis 缓存最核心、最基础的行为</strong>。</p>
<p><strong>Cache 接口中的核心方法主要是 putObject()、getObject() 和 removeObject() 三个方法，分别用来写入、查询和删除缓存数据。</strong></p>
<p>Cache 接口有非常多的实现类（如下图），<strong>其中的 PerpetualCache 扮演了装饰器模式中 ComponentImpl 这个角色</strong>，实现了 Cache 接口缓存数据的基本能力。</p>
<p><img src="assets/Cgp9HWAwzjuACuz3AAFGuWssY7o524.png" alt="图片2.png" /></p>
<p>Cache 接口实现关系图</p>
<p>PerpetualCache 中有两个核心字段：一个是 id 字段（String 类型），记录了缓存对象的唯一标识；另一个是 cache 字段（HashMap 类型），真正实现 Cache 存储的数据结构，对 Cache 接口的实现也会直接委托给这个 HashMap 对象的相关方法，例如，PerpetualCache 中 putObject() 方法就是调用 cache 的 put() 方法写入缓存数据的。</p>
<h3>Cache 接口装饰器</h3>
<p><strong>除了 PerpetualCache 之外的其他所有 Cache 接口实现类，都是装饰器实现，也就是 DecoratorImpl 的角色</strong>。下面我们就逐个分析这些 Cache 接口的装饰器都提供了哪些功能上的扩展。</p>
<h4>1. BlockingCache</h4>
<p>顾名思义，BlockingCache 是<strong>在原有 Cache 实现之上添加了阻塞线程的特性</strong>。</p>
<p>对于一个 Key 来说，同一时刻，BlockingCache 只会让一个业务线程到数据库中去查找，查找到结果之后，会添加到 BlockingCache 中缓存。</p>
<p>作为一个装饰器，BlockingCache 自然会包含一个 Cache 类型的字段，也就是 delegate 字段。除此之外，BlockingCache 还包含了一个 locks 集合（ConcurrentHashMap&lt;Object, CountDownLatch&gt; 类型）和一个 timeout 字段（long 类型），其中 locks 为每个 Key 分配了一个 CountDownLatch 用来控制并发访问，timeout 指定了一个线程在 BlockingCache 上阻塞的最长时间。</p>
<p>下面我们来看 BlockingCache 的 getObject() 方法实现，其中需要先调用 acquireLock() 方法获取锁，才能查询 delegate 缓存，命中缓存之后会立刻调用 releaseLock() 方法释放锁，如果未命中缓存则不会释放锁。</p>
<p>在 acquireLock() 方法中，通过 locks 这个 ConcurrentHashMap 集合以及其中各个 Key 关联的 CountDownLatch 对象，实现了锁的效果，具体实现如下：</p>
<pre><code>private void acquireLock(Object key) {
// 初始化一个全新的CountDownLatch对象
CountDownLatch newLatch = new CountDownLatch(1);
while (true) {
// 尝试将key与newLatch这个CountDownLatch对象关联起来
// 如果没有其他线程并发，则返回的latch为null
CountDownLatch latch = locks.putIfAbsent(key, newLatch);
if (latch == null) {
// 如果当前key未关联CountDownLatch，
// 则无其他线程并发，当前线程获取锁成功
break;
}
// 当前key已关联CountDownLatch对象，则表示有其他线程并发操作当前key，
// 当前线程需要阻塞在并发线程留下的CountDownLatch对象(latch)之上，
// 直至并发线程调用latch.countDown()唤醒该线程
if (timeout &gt; 0) { // 根据timeout的值，决定阻塞超时时间
boolean acquired = latch.await(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
if (!acquired) { // 超时未获取到锁，则抛出异常
throw new CacheException(&quot;...&quot;);
}
} else { // 死等
latch.await();
}
}
}
</code></pre>
<p>在 releaseLock() 方法中，会从 locks 集合中删除 Key 关联的 CountDownLatch 对象，并唤醒阻塞在这个 CountDownLatch 对象上的业务线程。</p>
<p>看到这里，你可能会问：假设业务线程 1、2 并发访问某个 Key，线程 1 查询 delegate 缓存失败，不释放锁，timeout &lt;=0 的时候，线程 2 就会阻塞吗？是的，但是线程 2 不会永久阻塞，因为我们需要保证线程 1 接下来会查询数据库，并调用 putObject() 方法或 removeObject() 方法，其中会通过 releaseLock() 方法释放锁。</p>
<p>最终，我们得到 BlockingCache 的核心原理如下图所示：</p>
<p><img src="assets/CioPOWAwwimAGb51AAJd328lR7k035.png" alt="Drawing 4.png" /></p>
<p>BlockingCache 核心原理图</p>
<h4>2. FifoCache</h4>
<p>MyBatis 中的缓存本质上就是 JVM 堆中的一块内存，我们需要严格控制 Cache 的大小，防止 Cache 占用内存过大而影响程序的性能。操作系统有很多缓存淘汰规则，MyBatis 也提供了类似的规则来清理缓存。</p>
<p>这就引出了 FifoCache 装饰器，它是 FIFO（先入先出）策略的装饰器。在系统运行过程中，我们会不断向 Cache 中增加缓存条目，<strong>当 Cache 中的缓存条目达到上限的时候，则会将 Cache 中最早写入的缓存条目清理掉，这也就是先入先出的基本原理</strong>。</p>
<p>FifoCache 作为一个 Cache 装饰器，自然也会包含一个指向 Cache 的字段（也就是 delegate 字段），同时它还维护了两个与 FIFO 相关的字段：一个是 keyList 队列（LinkedList），主要利用 LinkedList 集合有序性，记录缓存条目写入 Cache 的先后顺序；另一个是当前 Cache 的大小上限（size 字段），当 Cache 大小超过该值时，就会从 keyList 集合中查找最早的缓存条目并进行清理。</p>
<p>FifoCache 的 getObject() 方法和 removeObject() 方法实现非常简单，都是直接委托给底层 delegate 这个被装饰的 Cache 对象的同名方法。FifoCache 的关键实现在 putObject() 方法中，在将数据写入被装饰的 Cache 对象之前，FifoCache 会通过 cycleKeyList() 方法执行 FIFO 策略清理缓存，然后才会调用 delegate.putObject() 方法完成数据写入。</p>
<h4>3. LruCache</h4>
<p>除了 FIFO 策略之外，MyBatis 还支持 LRU（Least Recently Used，近期最少使用算法）策略来清理缓存。LruCache 就是使用 LRU 策略清理缓存的装饰器实现，如果 LruCache 发现缓存需要清理，它会<strong>清除最近最少使用的缓存条目</strong>。</p>
<p>LruCache 中除了有一个 delegate 字段指向被装饰 Cache 对象之外，还维护了一个 LinkedHashMap 集合（keyMap 字段），用来记录各个缓存条目最近的使用情况，以及一个 eldestKey 字段（Object 类型），用来指向最近最少使用的 Key。</p>
<p>LinkedHashMap 继承了 HashMap，底层使用数组来存储 KV 数据，数组中存储的是 LinkedHashMap.Entry 类型的元素。在 LinkedHashMap.Entry 中除了存储 KV 数据之外，还维护了 before、after 两个字段分别指向当前 Entry 前后的两个 Entry 节点。在 LinkedHashMap 中维护了 head、tail 两个指针，分别指向了第一个和最后一个 Entry 节点。LinkedHashMap 的原理如下图所示：</p>
<p><img src="assets/CioPOWAwzleADjDeAAI5BfZ7fvA215.png" alt="图片3.png" /></p>
<p>LinkedHashMap 原理图</p>
<p>在上图（1）中，通过 Entry 中的 before 和 after 指针形成了一个链表，当我们调用 get() 方法访问 Key 4 时，LinkedHashMap 除了返回 Value 4 之外，还会默默修改 Entry 链表，将 Key 4 项移动到链表的尾部，得到上图（2）中的结构。</p>
<p>LruCache 中的 keyMap 覆盖了 LinkedHashMap 默认的 removeEldestEntry() 方法实现，当 LruCache 中缓存条目达到上限的时候，返回 true，即删除 Entry 链表中 head 指向的 Entry。LruCache 就是依赖 LinkedHashMap 上述的这些特点来确定最久未使用的缓存条目并完成删除的。</p>
<p>下面是 LruCache 初始化过程中，keyMap 对 LinkedHashMap.removeEldestEntry() 方法的覆盖：</p>
<pre><code>keyMap = new LinkedHashMap&lt;Object, Object&gt;(size, .75F, true) {
// 调用LinkedHashMap.put()方法时，会调用removeEldestEntry()方法
// 决定是否删除head指向的Entry数据
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry&lt;Object, Object&gt; eldest) {
boolean tooBig = size() &gt; size;
if (tooBig) { // 已到达缓存上限，更新eldestKey字段，并返回true，LinkedHashMap会删除该Key
eldestKey = eldest.getKey();
}
return tooBig;
}
};
</code></pre>
<p>了解了 LruCache 核心原理之后，我们再来看 getObject()、putObject() 等 Cache 接口方法的实现。</p>
<p>首先是 getObject() 方法，除了委托给底层被装饰的 Cache 对象获取缓存数据之外，还会执行 keyMap.get() 方法更新 Key 在这个 LinkedHashMap 集合中的顺序。</p>
<p>在 putObject() 方法中，除了将 KV 数据写入底层被装饰的 Cache 对象中，还会调用 cycleKeyList() 方法将 KV 数据写入 keyMap 集合中，此时可能会触发 eldestKey 数据的清理，具体实现如下：</p>
<pre><code>private void cycleKeyList(Object key) {
keyMap.put(key, key); // 将KV数据写入keyMap集合
if (eldestKey != null) {
// 如果eldestKey不为空，则将从底层Cache中删除
delegate.removeObject(eldestKey);
eldestKey = null;
}
}
</code></pre>
<h4>4. SoftCache</h4>
<p>看到 SoftCache 这个名字，有一定 Java 经验的同学可能会立刻联想到 Java 中的软引用（Soft Reference），所以这里我们就先来简单回顾一下什么是强引用和软引用，以及这些引用的相关机制。</p>
<p><strong>强引用是 JVM 中最普遍的引用，我们常用的赋值操作就是强引用</strong>，例如，<code>Person p = new Person(); </code>这条语句会将新创建的 Person 对象赋值为 p 这个变量，p 这个变量指向这个 Person 对象的引用，就是强引用。这个 Person 对象被引用的时候，即使是 JVM 内存空间不足触发 GC，甚至是内存溢出（OutOfMemoryError），也不会回收这个 Person 对象。</p>
<p>软引用比强引用稍微弱一些。当 JVM 内存不足时，GC 才会回收那些只被软引用指向的对象，从而避免 OutOfMemoryError。当 GC 将只被软引用指向的对象全部回收之后，内存依然不足时，JVM 才会抛出 OutOfMemoryError。根据软引用的这一特性，我们会发现<strong>软引用特别适合做缓存，因为缓存中的数据可以从数据库中恢复，所以即使因为 JVM 内存不足而被回收掉，也可以通过数据库恢复缓存中的对象</strong>。</p>
<p>在使用软引用的时候，需要注意一点：<strong>当拿到一个软引用的时候，我们需要先判断其 get() 方法返回值是否为 null</strong>。如果为 null，则表示这个软引用指向的对象在之前的某个时刻，已经被 GC 掉了；如果不为 null，则表示这个软引用指向的对象还存活着。</p>
<p>在有的场景中，我们可能需要在一个对象的可达性（是否已经被回收）发生变化时，得到相应的通知，<strong>引用队列（Reference Queue）</strong> 就是用来实现这个需求的。在创建 SoftReference 对象的时候，我们可以为其关联一个引用队列，当这个 SoftReference 指向的对象被回收的时候，JVM 就会将这个 SoftReference 作为通知，添加到与其关联的引用队列，之后我们就可以从引用队列中，获取这些通知信息，也就是 SoftReference 对象。</p>
<p>下面我们正式开始介绍 SoftCache。SoftCache 中的 value 是 SoftEntry 类型的对象，这里的 SoftEntry 是 SoftCache 的内部类，继承了 SoftReference，<strong>其中指向 key 的引用是强引用，指向 value 的引用是软引用</strong>，具体实现如下：</p>
<pre><code>private static class SoftEntry extends SoftReference&lt;Object&gt; {
private final Object key;
SoftEntry(Object key, Object value, ReferenceQueue&lt;Object&gt; garbageCollectionQueue) {
// 指向value的是软引用，并且关联了引用队列
super(value, garbageCollectionQueue);
// 指向key的是强引用
this.key = key;
}
}
</code></pre>
<p>了解了 SoftCache 存储的对象类型之后，下面我们再来看它的核心字段。</p>
<ul>
<li>delegate（Cache 类型）：SoftCache 装饰的底层 Cache 对象。</li>
<li>queueOfGarbageCollectedEntries（ReferenceQueue<code>&lt;Object&gt;</code> 类型）：该引用队列会与每个 SoftEntry 对象关联，用于记录已经被回收的缓存条目，即 SoftEntry 对象，SoftEntry 又通过 key 这个强引用指向缓存的 Key 值，这样我们就可以知道哪个 Key 被回收了。</li>
<li>hardLinksToAvoidGarbageCollection（LinkedList<code>&lt;Object&gt;</code>类型）：在 SoftCache 中，最近经常使用的一部分缓存条目（也就是热点数据）会被添加到这个集合中，正如其名称的含义，该集合会使用强引用指向其中的每个缓存 Value，防止它被 GC 回收。</li>
<li>numberOfHardLinks（int 类型）：指定了强连接的个数，默认值是 256，也就是最近访问的 256 个 Value 无法直接被 GC 回收。</li>
</ul>
<p>了解了核心字段的含义之后，我们再来看 SoftCache 对 Cache 接口中核心方法的实现。</p>
<p>首先是 putObject() 方法，它除了将 KV 数据放入底层被装饰的 Cache 对象中保存之外，还会调用 removeGarbageCollectedItems() 方法，根据 queueOfGarbageCollectedEntries 集合，清理已被 GC 回收的缓存条目，具体实现如下：</p>
<pre><code>private void removeGarbageCollectedItems() {
SoftEntry sv;
// 遍历queueOfGarbageCollectedEntries集合，其中记录了被GC回收的Key
while ((sv = (SoftEntry) queueOfGarbageCollectedEntries.poll()) != null) {
delegate.removeObject(sv.key); // 清理被回收的Key
}
}
</code></pre>
<p>接下来看 getObject() 方法，在查询缓存的同时，如果发现 Value 已被 GC 回收，则同步进行清理；如果查询到缓存的 Value 值，则会同步调整 hardLinksToAvoidGarbageCollection 集合的顺序，具体实现如下：</p>
<pre><code>public Object getObject(Object key) {
Object result = null;
// 从底层被装饰的缓存中查找数据
SoftReference&lt;Object&gt; softReference = (SoftReference&lt;Object&gt;) delegate.getObject(key);
if (softReference != null) {
result = softReference.get();
if (result == null) {
// Value为null，则已被GC回收，直接从缓存删除该Key
delegate.removeObject(key);
} else { // 未被GC回收
// 将Value添加到hardLinksToAvoidGarbageCollection集合中，防止被GC回收
synchronized (hardLinksToAvoidGarbageCollection) {
hardLinksToAvoidGarbageCollection.addFirst(result);
// 检查hardLinksToAvoidGarbageCollection长度，超过上限，则清理最早添加的Value
if (hardLinksToAvoidGarbageCollection.size() &gt; numberOfHardLinks) {
hardLinksToAvoidGarbageCollection.removeLast();
}
}
}
}
return result;
}
</code></pre>
<p>最后来看 removeObject() 和 clear() 这两个清理方法，它们除了清理被装饰的 Cache 对象之外，还会清理 hardLinksToAvoidGarbageCollection 集合，具体实现比较简单，这里就不再展示，你若感兴趣的话可以参考<a href="https://github.com/xxxlxy2008/mybatis">源码</a>进行学习。</p>
<h4>5. WeakCache</h4>
<p>WeakCache 涉及 Java 的弱引用概念，所以这里我就先带你回顾一下弱引用（WeakReference）的一些特性。</p>
<p><strong>弱引用比软引用的引用强度还要弱</strong>。弱引用可以引用一个对象，但无法阻止这个对象被 GC 回收，也就是说，在 JVM 进行垃圾回收的时候，若发现某个对象只有一个弱引用指向它，那么这个对象会被 GC 立刻回收。</p>
<p>从这个特性我们可以得到一个结论：<strong>只被弱引用指向的对象只在两次 GC 之间存活</strong>。而只被软引用指向的对象是在 JVM 内存紧张的时候才被回收，它是可以经历多次 GC 的，这就是两者最大的区别。在 WeakReference 指向的对象被回收时，也会将 WeakReference 对象添加到关联的队列中。</p>
<p>JDK 提供了一个基于弱引用实现的 HashMap 集合—— WeakHashMap，其中的 Entry 继承了 WeakReference，Entry 中使用弱引用指向 Key，使用强引用指向 Value。当没有强引用指向 Key 的时候，Key 可以被 GC 回收。当再次操作 WeakHashMap 的时候，就会遍历关联的引用队列，从 WeakHashMap 中清理掉相应的 Entry。</p>
<p>下面我们回到 WeakCache，它的实现与 SoftCache 十分类似，两者的唯一区别在于：WeakCache 中存储的是 WeakEntry 对象，它继承了 WeakReference，通过 WeakReference 指向 Value 对象。具体的实现与 SoftCache 基本相同，这里就不再展示，你若感兴趣的话可以参考<a href="https://github.com/xxxlxy2008/mybatis">源码</a>进行学习。</p>
<p>至于剩下的 Cache 装饰器，理解起来就比较简单了，这里我就不赘述了，如有需要你同样可以参考<a href="https://github.com/xxxlxy2008/mybatis">源码</a>来理解和学习。</p>
<h3>总结</h3>
<p>在这一讲我们重点介绍了 MyBatis 中缓存的基础实现。</p>
<ul>
<li>首先，我们说明了 MyBatis 中缓存存在的必要性，以及其中使用到的经典设计模式——装饰器模式。</li>
<li>然后，我们介绍了 Cache 这个顶层接口的设计以及 PerpetualCache 这个基础实现类的原理。</li>
<li>最后，我们深入分析了 MyBatis 中常用的 Cache 装饰器实现，主要讲解了 BlockingCache、FifoCache、LruCache、SoftCache、WeakCache 这五个装饰器。</li>
</ul>
<p>当然，MyBatis 中还有很多其他的 Cache 装饰器，例如，ScheduledCache、LoggingCache、SynchronizedCache、SerializedCache 等，这些装饰器实现并不复杂，就作为课后题留给你自己来分析了。如有什么问题或不理解的地方，欢迎在留言区与我分享和交流。</p>
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