使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存
作者:詩筠
1. 前言
在现代应用程序中,查询缓存的使用已经变得越来越普遍。它不仅能够显著提高系统的性能,还能提升用户体验。缓存通过在内存中存储频繁访问的数据,减少对数据库或其他存储系统的访问,从而加快数据读取速度。在这篇文章中,我们将探讨缓存的基本概念、重要性以及如何使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存 。
2. 缓存
2.1 什么是缓存
缓存是一种临时存储机制,用于在内存中保存频繁访问的数据。它可以是硬件(如CPU缓存)或软件(如应用程序缓存)。缓存的主要目的是通过减少数据访问的延迟,提高系统的响应速度。以下是缓存的一些关键特性:
- 临时性:缓存中的数据通常是临时的,会在一段时间后失效或被替换。
- 快速访问:由于缓存数据存储在内存中,访问速度非常快。
- 空间有限:缓存的存储空间通常有限,因此需要有效的管理策略,如LRU(最近最少使用)策略。
2.2 使用缓存的好处
- 提高性能:缓存可以显著减少数据读取的时间,因为内存访问速度比硬盘或网络存储快很多。
- 减轻数据库负载:缓存可以减少数据库的查询次数,从而减轻数据库的负载,提升整体系统的稳定性和可扩展性。
- 节省资源:通过减少对后端系统的访问,缓存可以帮助节省带宽和计算资源。
- 提高用户体验:快速的数据访问可以显著提升用户体验,特别是在需要频繁读取数据的应用场景中。
2.3 缓存的成本
- 内存消耗:缓存需要占用系统的内存资源,过多的缓存可能会影响其他应用程序的性能。
- 数据一致性:缓存中的数据可能会与数据库中的数据不一致,尤其是在数据频繁更新的场景中。需要设计有效的缓存失效策略来保证数据的一致性。
- 复杂性增加:引入缓存机制会增加系统的复杂性,需要处理缓存的管理、更新和失效等问题。
- 维护成本:缓存系统需要定期监控和维护,以确保其高效运行。
2.4 Spring Cache和Redis的优点
为了实现高效的数据缓存,Spring Boot提供了Spring Cache模块,而Redis则是一个强大的缓存数据库。结合使用Spring Cache和Redis,能够充分发挥二者的优点,实现高效的数据缓存。
- Spring Cache的优点:
- 简化缓存操作:Spring Cache提供了一系列注解(如
@Cacheable
、@CachePut
、@CacheEvict
),简化了缓存的使用,使开发者能够专注于业务逻辑。 - 灵活的缓存管理:Spring Cache支持多种缓存提供者(如EhCache、Hazelcast、Redis等),可以根据具体需求选择合适的缓存实现。
- 透明的缓存机制:Spring Cache使得缓存操作对业务代码透明,开发者无需关心缓存的具体实现细节。
- 简化缓存操作:Spring Cache提供了一系列注解(如
- Redis的优点:
- 高性能:由于数据存储在内存中,Redis的读写速度非常快,能够处理每秒数百万级别的请求。
- 丰富的数据结构:Redis支持多种数据结构,如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等,能够满足不同场景下的数据存储需求。
- 持久化支持:虽然Redis主要用于内存存储,但它也提供了数据持久化的功能,可以将数据定期保存到磁盘,防止数据丢失。
- 分布式支持:Redis支持主从复制、哨兵模式和集群模式,能够实现高可用性和数据的水平扩展。
- 灵活的过期策略:Redis支持为每个键设置过期时间,自动删除过期数据,方便实现缓存失效策略。
3. Spring Cache基础知识
在Spring Boot中,Spring Cache提供了一套简洁且强大的缓存抽象机制,帮助开发者轻松地将缓存集成到应用程序中。以下是Spring Cache的一些核心概念和常用注解。
3.1 Spring Cache的核心概念
CacheManager
- 定义:
CacheManager
是Spring Cache的核心接口,负责管理多个缓存实例。它是缓存操作的入口点,提供了获取和操作缓存实例的方法。 - 实现:Spring提供了多种
CacheManager
实现,如ConcurrentMapCacheManager
、EhCacheCacheManager
、RedisCacheManager
等。不同的实现适用于不同的缓存存储机制。
Cache
- 定义:
Cache
是缓存的具体实现,负责存储和检索缓存数据。它提供了基本的缓存操作,如put
、get
、evict
等。 - 实现:具体的
Cache
实现依赖于底层的缓存存储机制,如内存缓存、Redis缓存等。
3.2 Spring Cache的注解
3.2.1 SpEL表达式
因为Spring Cache使用SpEL表达式来动态生成缓存键,所以在学习Spring Cache的注解之前我们还要先简单了解一下SpEL表达式的语法,这部分可以先不看懂,在后面看注解的时候回来看即可。
SpEL表达式的语法类似于Java的表达式语法,支持以下几种操作:
- 字面量:
- 数字:
1
,2.5
- 字符串:
'hello'
,"world"
- 布尔值:
true
,false
- 空值:
null
- 数字:
- 属性和方法:
- 访问对象的属性:
#user.name
- 调用对象的方法:
#user.getName()
- 访问对象的属性:
- 运算符:
- 算术运算:
+
,-
,*
,/
,%
- 比较运算:
==
,!=
,<
,>
,<=
,>=
- 逻辑运算:
&&
,||
,!
- 算术运算:
- 集合和数组:
- 访问集合元素:
#users[0]
- 集合操作:
#users.size()
,#users.isEmpty()
- 访问集合元素:
- 条件运算符:
- 三元运算符:
condition ? trueValue : falseValue
- Elvis运算符:
expression ?: defaultValue
- 三元运算符:
- 变量:
- 定义和使用变量:
#variableName
- 定义和使用变量:
接下来进入Spring Cache注解的学习:
3.2.2 @Cacheable
作用:@Cacheable
注解用于标注需要缓存的方法。当该方法被调用时,Spring Cache会先检查缓存中是否存在对应的数据。如果存在,则直接返回缓存数据;如果不存在,则执行方法并将结果存入缓存。
示例:
@RestController("/users") @RequiredArgsConstructor public class UserController { private final UserService userService; @Cacheable(value = "user", key = "#id") public User getUser(Long id) { // 获取用户的逻辑 return userService.findById(id); } }
- 参数:
value
:指定缓存的名称。key
:指定缓存的键,可以使用SpEL表达式。
3.2.3 @CachePut
- 作用:
@CachePut
注解用于标注需要更新缓存的方法。即使缓存中已经存在数据,该方法仍然会执行,并将结果更新到缓存中。 - 示例:
@RestController("/users") @RequiredArgsConstructor public class UserController { private final UserService userService; @CachePut(value = "user", key = "#user.id") public User updateUser(User user) { // 更新用户的逻辑 return userService.save(user); } }
- 参数:
value
:指定缓存的名称。key
:指定缓存的键,可以使用SpEL表达式。
3.2.4 @CacheEvict
作用:@CacheEvict
注解用于标注需要清除缓存的方法。当该方法被调用时,Spring Cache会清除对应的缓存数据。
示例:
@RestController("/users") @RequiredArgsConstructor public class UserController { private final UserService userService; @CacheEvict(value = "user", key = "#id") public void deleteUser(Long id) { // 删除用户的逻辑 userService.deleteById(id); } }
- 参数:
value
:指定缓存的名称。key
:指定缓存的键,可以使用SpEL表达式。allEntries
:如果设置为true
,则清除缓存中的所有数据。
4. 实现查询数据缓存
4.1 准备工作 Redis安装与配置:
- Redis安装与配置:
这里可以自行查找文章进行安装和配置,网上优质文章很多。
创建Product
实体类:
@Data @AllArgsConstructor public class Product implements Serializable { private Long id; private String name; private Integer category; private String description; private Integer stock; }
创建枚举类ResultEnum
:
@Getter public enum ResultEnum { /* 成功状态码 */ SUCCESS(1, "操作成功!"), /* 错误状态码 */ FAIL(0, "操作失败!"), /* 参数错误:10001-19999 */ PARAM_IS_INVALID(10001, "参数无效"), PARAM_IS_BLANK(10002, "参数为空"), PARAM_TYPE_BIND_ERROR(10003, "参数格式错误"), PARAM_NOT_COMPLETE(10004, "参数缺失"), /* 用户错误:20001-29999*/ USER_NOT_LOGGED_IN(20001, "用户未登录,请先登录"), USER_LOGIN_ERROR(20002, "账号不存在或密码错误"), USER_ACCOUNT_FORBIDDEN(20003, "账号已被禁用"), USER_NOT_EXIST(20004, "用户不存在"), USER_HAS_EXISTED(20005, "用户已存在"), /* 系统错误:40001-49999 */ FILE_MAX_SIZE_OVERFLOW(40003, "上传尺寸过大"), FILE_ACCEPT_NOT_SUPPORT(40004, "上传文件格式不支持"), /* 数据错误:50001-599999 */ RESULT_DATA_NONE(50001, "数据未找到"), DATA_IS_WRONG(50002, "数据有误"), DATA_ALREADY_EXISTED(50003, "数据已存在"), AUTH_CODE_ERROR(50004, "验证码错误"), /* 权限错误:70001-79999 */ PERMISSION_UNAUTHENTICATED(70001, "此操作需要登陆系统!"), PERMISSION_UNAUTHORIZED(70002, "权限不足,无权操作!"), PERMISSION_EXPIRE(70003, "登录状态过期!"), PERMISSION_TOKEN_EXPIRED(70004, "token已过期"), PERMISSION_LIMIT(70005, "访问次数受限制"), PERMISSION_TOKEN_INVALID(70006, "无效token"), PERMISSION_SIGNATURE_ERROR(70007, "签名失败"); // 状态码 int code; // 提示信息 String message; ResultEnum(int code, String message) { this.code = code; this.message = message; } public int code() { return code; } public String message() { return message; } public void setCode(int code) { this.code = code; } public void setMessage(String message) { this.message = message; } }
创建统一返回结果封装类Result
:
@Data @NoArgsConstructor public class Result<T> implements Serializable { // 操作代码 Integer code; // 提示信息 String message; // 结果数据 T data; public Result(ResultEnum resultCode) { this.code = resultCode.code(); this.message = resultCode.message(); } public Result(ResultEnum resultCode, T data) { this.code = resultCode.code(); this.message = resultCode.message(); this.data = data; } public Result(String message) { this.message = message; } //成功返回封装-无数据 public static Result<String> success() { return new Result<String>(ResultEnum.SUCCESS); } //成功返回封装-带数据 public static <T> Result<T> success(T data) { return new Result<T>(ResultEnum.SUCCESS, data); } //失败返回封装-使用默认提示信息 public static Result<String> error() { return new Result<String>(ResultEnum.FAIL); } //失败返回封装-使用返回结果枚举提示信息 public static Result<String> error(ResultEnum resultCode) { return new Result<String>(resultCode); } //失败返回封装-使用自定义提示信息 public static Result<String> error(String message) { return new Result<String>(message); } }
4.2 添加依赖
<dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId> </dependency>
4.3 修改配置文件
spring: data: redis: # Redis服务器地址 host: ${shijun.redis.host} # Redis服务器端口 port: ${shijun.redis.port} # Redis服务器认证密码 password: ${shijun.redis.password} # Redis数据库索引 database: ${shijun.redis.database}
4.4 配置缓存管理器
/** * 配置类,用于设置缓存管理器及相关配置,以启用缓存功能 * * @author shijun * @date 2024/06/13 */ @EnableCaching @Configuration public class CacheConfig extends CachingConfigurerSupport { /** * 配置Redis键的序列化方式 * * @return StringRedisSerializer,用于序列化和反序列化Redis中的键 */ private RedisSerializer<String> keySerializer() { return new StringRedisSerializer(); } /** * 配置Redis值的序列化方式 * * @return GenericJackson2JsonRedisSerializer,使用Jackson库以JSON格式序列化和反序列化Redis中的值 */ private RedisSerializer<Object> valueSerializer() { return new GenericJackson2JsonRedisSerializer(); } /** * 缓存前缀,用于区分不同的缓存命名空间,一般以模块名或者服务名命名,这里暂时写cache */ public static final String CACHE_PREFIX = "cache:"; /** * 配置缓存管理器,使用Redis作为缓存后端 * * @param redisConnectionFactory Redis连接工厂,用于创建Redis连接 * @return RedisCacheManager,Redis缓存管理器实例 */ @Bean public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory) { // 配置序列化,解决乱码的问题,设置缓存名称的前缀和缓存条目的默认过期时间 RedisCacheConfiguration config = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig() // 设置键的序列化器 .serializeKeysWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(keySerializer())) // 设置值的序列化器 .serializeValuesWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(valueSerializer())) // 设置缓存名称的前缀 .computePrefixWith(name -> CACHE_PREFIX + name + ":") // 设置缓存条目的默认过期时间为300秒 .entryTtl(Duration.ofSeconds(300)); // 创建非锁定的Redis缓存写入器 RedisCacheWriter redisCacheWriter = RedisCacheWriter.nonLockingRedisCacheWriter(Objects.requireNonNull(redisConnectionFactory)); // 返回Redis缓存管理器实例,使用上述配置 return new RedisCacheManager(redisCacheWriter, config); } }
分析:
StringRedisSerializer :使用StringRedisSerializer
将缓存的键序列化为字符串。因为Redis中的键通常是字符串类型,使用字符串序列化器可以确保键在Redis中以可读的形式存储,便于调试和管理。GenericJackson2JsonRedisSerializer :使用
GenericJackson2JsonRedisSerializer
将缓存的值序列化为JSON格式,可读性高并且便于人工排查数据。
4.5 使用Spring Cache注解
由于我们的缓存的数据源来自于数据库,而数据库的数据是会发生变化的,因此,如果当数据库中数据发生变化,而缓存却没有同步,此时就会有数据一致性问题存在,在一些并发场景会出现问题。
这里采用
Cache Aside Pattern
即旁路缓存模式:缓存调用者在更新完数据库后再去更新缓存,也称之为双写方案。
分析:
- 应用程序首先从缓存中查找数据。
- 如果缓存命中,则直接返回缓存中的数据。
- 如果缓存未命中,则从数据库中读取数据,并将读取到的数据写入缓存,以便
- 后续请求可以直接从缓存中获取。
- 写流程
分析:
- 应用程序首先更新数据库中的数据。
- 然后使缓存中的对应数据失效
@Slf4j @RestController("/products") public class ProductController { /** * 根据ID获取产品信息 * 通过@Cacheable注解,当请求的产品ID在缓存中存在时,直接从缓存中获取产品信息,减少数据库查询 * * @param id 产品ID * @return 返回查询结果,包含指定ID的产品信息 */ @GetMapping("/getProductById") @Cacheable(value = "productsCache", key = "#id") public Result<Product> getProductById(Long id) { // 当从数据库获取数据时会打印,如果是从缓存中查询并不会执行到这里。 log.info("从数据库获取产品: id = {}", id); Product product = new Product(id, "product", 100, "课本", 10); return Result.success(product); } /** * 更新产品信息 * 通过@CacheEvict注解,当更新产品时,清除缓存中对应产品的数据,确保获取到最新的数据 * 设置allEntries为true,表示清除整个缓存中的所有产品数据 * * @param product 产品对象,包含更新后的详细信息 * @return 返回更新结果,成功更新时返回成功标志 */ @PutMapping("/updateProduct") @CacheEvict(value = "productsCache", key = "#product.id") public Result updateProduct(@RequestBody Product product) { // 更新操作 return Result.success(); } /** * 删除指定ID的产品 * 通过@CacheEvict注解,当删除产品时,清除缓存中对应产品的数据 * * @param id 待删除产品的ID * @return 返回删除结果,成功删除时返回成功标志 */ @DeleteMapping("/deleteProductById") @CacheEvict(value = "productsCache", key = "#id") public Result deleteProductById(Long id) { // 删除操作 return Result.success(); } }
4.6 测试
4.6.1 查询测试
因为我们在查询接口上使用的
@Cacheable
接口,所以当执行查询操作时,第一次查询会从数据库中获取,因此会输出「从数据库获取产品: id = x」,此时查看Redis控制台会发现出现一个对应的缓存,之后的每次查询都会从Redis中查询(控制台不会输出「从数据库获取产品: id = x」),直到对应的缓存数据时间结束。
发送查询请求:
查看Redis中的缓存数据:
通过观察可以发现
CacheConfig
类中的序列化配置起作用了,Redis中的数据不再是一堆乱码,并且在右上角还有我们之前配置的缓存的过期时间(我们之前配置的300s)。
查看控制台发现本次查询为从数据库查询:
再次发送会发现数据成功的查询了:
再次查询控制台发现并没有输出从数据库获取产品: id = 1
,说明本次查询为从Redis缓存中获取数据。
4.6.2 更新、删除测试
因为之前我们在更新和删除接口上使用的@CacheEvict注解,所以当执行更新或者删除操作时,会将Redis中对应的产品缓存数据删除。
分别发送更新请求和删除请求,然后再次查看Redis中的缓存数据:
可以发现Redis当中对应的缓存数据被删除了,符合我们的设计:
5. 总结
在本文中,我们详细介绍了如何在Spring Boot项目中使用Spring Cache和Redis实现数据缓存,并简单讲解了使用Cache Aside Pattern
来解决数据一致性问题,希望对大家学习有所帮助。如有问题,大家可以私信或者在评论区询问。
以上就是使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存的详细内容,更多关于Spring Cache Redis查询数据缓存的资料请关注脚本之家其它相关文章!