1、简介
在本文中，我们将了解Caffeine，一个用于Java的高性能缓存库。
缓存和Map之间的一个根本区别是缓存会清理存储的项目。
一个清理策略会决定在某个给定时间哪些对象应该被删除，这个策略直接影响缓存的命中率——缓存库的一个关键特性。
Caffeine使用Window TinyLfu清理策略，它提供了接近最佳的命中率。
2、依赖
我们需要将Caffeine依赖添加到我们的pom.xml中：
<dependency>
<groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
<artifactId>caffeine</artifactId>
<version>2.5.5</version>
</dependency>
您可以在Maven Central上找到最新版本的Caffeine。
3、写入缓存
让我们关注Caffeine的三种缓存写入策略：手动、同步加载和异步加载。
首先，让我们编写一个类，作为要存储在缓存中的值的类型：
class DataObject {
private final String data;
private static int objectCounter = 0;
// standard constructors/getters
public static DataObject get(String data) {
objectCounter++;
return new DataObject(data);
}
}
3.1、手动写入
在此策略中，我们手动将值写入缓存并稍后读取它们。
我们先初始化缓存：
Cache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.maximumSize(100)
.build();
现在，我们可以使用getIfPresent方法从缓存中获取一些值。如果缓存中不存在该值，则此方法将返回null：
String key = "A";
DataObject dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNull(dataObject);
我们可以使用put方法手动写入缓存：
cache.put(key, dataObject);
dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNotNull(dataObject);
我们还可以使用get方法获取值，该方法接受一个函数和一个键作为参数。如果缓存中不存在该键，则此函数将用于提供兜底值，该值将在执行后写入缓存：
dataObject = cache
.get(key, k -> DataObject.get("Data for A"));
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for A", dataObject.getData());
这个GET方法执行是原子性的。这意味着即使多个线程同时请求该值，执行只会进行一次。这就是为什么使用get比getIfPresent更好。
有时我们需要手动使一些缓存的值失效：
cache.invalidate(key);
dataObject = cache.getIfPresent(key);
assertNull(dataObject);
3.2、同步加载
这种加载缓存的方法需要一个Function，用于初始化写入值，类似于手动写入策略的get方法，让我们看看如何使用它。
首先，我们需要初始化我们的缓存：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
现在我们可以使用get方法读取值：
DataObject dataObject = cache.get(key);
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());
我们还可以使用getAll方法获取一组值：
Map<String, DataObject> dataObjectMap
= cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"));
assertEquals(3, dataObjectMap.size());
值从传递给build方法的底层后端初始化Function中读取到，这样就可以使用缓存作为访问值的主要入口了。
3.3、异步加载
此策略的工作原理与前一个相同，但是会异步执行操作并返回一个CompletableFuture来保存实际的值：
AsyncLoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.buildAsync(k -> DataObject.get("Data for " + k));
我们可以以相同的方式使用get和getAll方法，考虑到它们的返回是CompletableFuture：
String key = "A";
cache.get(key).thenAccept(dataObject -> {
assertNotNull(dataObject);
assertEquals("Data for " + key, dataObject.getData());
});
cache.getAll(Arrays.asList("A", "B", "C"))
.thenAccept(dataObjectMap -> assertEquals(3, dataObjectMap.size()));
CompletableFuture具有很多有用的API，您可以在本文中阅读更多相关信息。
4、缓存值的清理
Caffeine有三种缓存值的清理策略：基于大小、基于时间和基于引用。
4.1、基于大小的清理
这种类型的清理设计为在超出缓存配置的大小限制时发生清理。有两种获取大小的方法——计算缓存中的对象数，或者获取它们的权重。
让我们看看如何计算缓存中的对象数。缓存初始化时，其大小为零：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(1)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
assertEquals(0, cache.estimatedSize());
当我们添加一个值时，大小明显增加：
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
我们可以将第二个值添加到缓存中，这会导致删除第一个值：
cache.get("B");
cache.cleanUp();
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
值得一提的是，我们在获取缓存大小之前调用了cleanUp方法。这是因为缓存清理是异步执行的，该方法有助于等待清理完成。
我们还可以传入一个weigher的Function来定义缓存大小的获取：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumWeight(10)
.weigher((k,v) -> 5)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
assertEquals(0, cache.estimatedSize());
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.estimatedSize());
cache.get("B");
assertEquals(2, cache.estimatedSize());
当权重超过 10 时，这些值将从缓存中删除：
cache.get("C");
cache.cleanUp();
assertEquals(2, cache.estimatedSize());
4.2、基于时间的清理
这种清理策略基于条目的过期时间，分为三种：
- 访问后过期——自上次读取或写入以来，条目在经过某段时间后过期
- 写入后过期——自上次写入以来，条目在经过某段时间后过期
- 自定义策略——由
Expiry的实现来为每个条目单独计算到期时间
让我们使用expireAfterAccess方法配置访问后过期策略：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterAccess(5, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
要配置写入后过期策略，我们使用expireAfterWrite方法：
cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.weakKeys()
.weakValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
要初始化自定义策略，我们需要实现Expiry接口：
cache = Caffeine.newBuilder().expireAfter(new Expiry<String, DataObject>() {
@Override
public long expireAfterCreate(
String key, DataObject value, long currentTime) {
return value.getData().length() * 1000;
}
@Override
public long expireAfterUpdate(
String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
return currentDuration;
}
@Override
public long expireAfterRead(
String key, DataObject value, long currentTime, long currentDuration) {
return currentDuration;
}
}).build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
4.3、基于引用的清理
我们可以配置我们的缓存，允许缓存的键或值或二者一起的垃圾收集。为此，我们需要为键和值配置WeakReference的使用，并且我们可以配置SoftReference仅用于值的垃圾收集。
WeakReference的使用允许在没有对对象的任何强引用时对对象进行垃圾回收。SoftReference允许基于JVM的全局LRU（最近最少使用）策略对对象进行垃圾回收。可以在此处找到有关Java中引用的更多详细信息。
我们使用Caffeine.weakKeys()、Caffeine.weakValues()和Caffeine.softValues()来启用每个选项：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.weakKeys()
.weakValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
cache = Caffeine.newBuilder()
.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
.softValues()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
5、缓存刷新
可以将缓存配置为在定义的时间段后自动刷新条目。让我们看看如何使用refreshAfterWrite方法做到这一点：
Caffeine.newBuilder()
.refreshAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
在这里，我们应该明白expireAfter和refreshAfter的一个区别：当请求过期条目时，执行会阻塞，直到build函数计算出新值。但是如果该条目符合刷新条件，则缓存将返回一个旧值并异步重新加载该值。
6、统计
Caffeine提供了一种记录缓存使用统计信息的方法：
LoadingCache<String, DataObject> cache = Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(100)
.recordStats()
.build(k -> DataObject.get("Data for " + k));
cache.get("A");
cache.get("A");
assertEquals(1, cache.stats().hitCount());
assertEquals(1, cache.stats().missCount());
我们还可以创建一个StatsCounter的实现作为参数来传入recordStats。每次与统计相关的更改，这个实现对象都将被调用。
7、结论
在本文中，我们熟悉了Java的Caffeine缓存库。我们看到了如何配置和存入缓存，以及如何根据需要选择合适的过期或刷新策略。
原文：https://www.baeldung.com/java-caching-caffeine
翻译：码农熊猫
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