基于Spring Cache实现Caffeine、jimDB多级缓存实战

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小编点评

1、生成内容时需要带简单的排版,例如: ``` * 一级缓存实现 * 基于caffeine实现 * @see org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache * @param name * @return ``` 2、例如: ``` * 初始化二级缓存Manager * @param jimClientLF * @return ``` 3、例如: ``` * 缓存命中分析总调用次数:1840486/min 一级缓存命中:1822820 /min 二级缓存命中:14454/min一级缓存命中率:99.04%二级缓存命中率:81.81%压测数据未开启缓存开启多级缓存监控数据未开启缓存下游应用由于4分钟后磁盘打满,性能到达瓶颈接口UMP服务引擎系统订购履约系统开启缓存上游系统CPU利用率90%左右,下游系统调用量明显减少,CPU利用率仅10%左右接口UMP服务引擎系统订购履约系统: ``` 4、例如: ``` * 归纳总结以上内容,生成内容时需要带简单的排版,例如: ```

正文

作者: 京东零售 王震

背景

在早期参与涅槃氛围标签中台项目中,前台要求接口性能999要求50ms以下,通过设计Caffeine、ehcache堆外缓存、jimDB三级缓存,利用内存、堆外、jimDB缓存不同的特性提升接口性能,
内存缓存采用Caffeine缓存,利用W-TinyLFU算法获得更高的内存命中率;同时利用堆外缓存降低内存缓存大小,减少GC频率,同时也减少了网络IO带来的性能消耗;利用JimDB提升接口高可用、高并发;后期通过压测及性能调优999性能<20ms
image.png

当时由于项目工期紧张,三级缓存实现较为臃肿、业务侵入性强、可读性差,在近期场景化推荐项目中,为B端商家场景化资源投放推荐,考虑到B端流量相对C端流量较小,但需保证接口性能稳定。采用SpringCache实现caffeine、jimDB多级缓存方案,实现了低侵入性、可扩展、高可用的缓存方案,极大提升了系统稳定性,保证接口性能小于100ms;

Spring Cache实现多级缓存

多级缓存实例MultilevelCache

/**
 * 分级缓存
 * 基于Caffeine + jimDB 实现二级缓存
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public class MultilevelCache extends AbstractValueAdaptingCache {

    /**
     * 缓存名称
     */
    private String name;

    /**
     * 是否开启一级缓存
     */
    private boolean enableFirstCache = true;

    /**
     * 一级缓存
     */
    private Cache firstCache;

    /**
     * 二级缓存
     */
    private Cache secondCache;

    @Override
    protected Object lookup(Object key) {
        Object value;
        recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_GET_CACHE, UMP_ALL));
        if(enableFirstCache){
            //查询一级缓存
            value = getWrapperValue(getForFirstCache(key));
            log.info("{}#lookup getForFirstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
            if(value != null){
                return value;
            }
        }
        value = getWrapperValue(getForSecondCache(key));
        log.info("{}#lookup getForSecondCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
        //二级缓存不为空,则更新一级缓存
        boolean putFirstCache = (Objects.nonNull(value) || isAllowNullValues()) && enableFirstCache;
        if(putFirstCache){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
            log.info("{}#lookup put firstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
            firstCache.put(key, value);
        }
        return value;
    }
    

    @Override
    public void put(Object key, Object value) {
        if(enableFirstCache){
            checkFirstCache();
            firstCache.put(key, value);
        }
        secondCache.put(key, value);
    }

    /**
     * 查询一级缓存
     * @param key
     * @return
     */
    private ValueWrapper getForFirstCache(Object key){
        checkFirstCache();
        ValueWrapper valueWrapper = firstCache.get(key);
        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
        }
        return valueWrapper;
    }

    /**
     * 查询二级缓存
     * @param key
     * @return
     */
    private ValueWrapper getForSecondCache(Object key){
        ValueWrapper valueWrapper = secondCache.get(key);
        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_SECOND_CACHE, UMP_NO_HIT));
        }
        return valueWrapper;
    }

    private Object getWrapperValue(ValueWrapper valueWrapper){
        return Optional.ofNullable(valueWrapper).map(ValueWrapper::get).orElse(null);
    }

}

多级缓存管理器抽象

/**
 * 多级缓存实现抽象类
 * 一级缓存
 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getFirstCache(String)
 * 二级缓存
 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getSecondCache(String)
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public abstract class AbstractMultilevelCacheManager implements CacheManager {

    private final ConcurrentMap<String, MultilevelCache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

    /**
     * 是否动态生成
     * @see MultilevelCache
     */
    protected boolean dynamic = true;
    /**
     * 默认开启一级缓存
     */
    protected boolean enableFirstCache = true;
    /**
     * 是否允许空值
     */
    protected boolean allowNullValues = true;

    /**
     * ump监控前缀 不设置不开启监控
     */
    private String umpKeyPrefix;


    protected MultilevelCache createMultilevelCache(String name) {
        Assert.hasLength(name, "createMultilevelCache name is not null");
        MultilevelCache multilevelCache = new MultilevelCache(allowNullValues);
        multilevelCache.setName(name);
        multilevelCache.setUmpKeyPrefix(this.umpKeyPrefix);
        multilevelCache.setEnableFirstCache(this.enableFirstCache);
        multilevelCache.setFirstCache(getFirstCache(name));
        multilevelCache.setSecondCache(getSecondCache(name));
        return multilevelCache;
    }


    @Override
    public Cache getCache(String name) {
        MultilevelCache cache = this.cacheMap.get(name);
        if (cache == null && dynamic) {
            synchronized (this.cacheMap) {
                cache = this.cacheMap.get(name);
                if (cache == null) {
                    cache = createMultilevelCache(name);
                    this.cacheMap.put(name, cache);
                }
                return cache;
            }
      }
      return cache;
    }

    @Override
    public Collection<String> getCacheNames() {
        return Collections.unmodifiableSet(this.cacheMap.keySet());
    }

    /**
     * 一级缓存
     * @param name
     * @return
     */
    protected abstract Cache getFirstCache(String name);

    /**
     * 二级缓存
     * @param name
     * @return
     */
    protected abstract Cache getSecondCache(String name);

    public boolean isDynamic() {
        return dynamic;
    }

    public void setDynamic(boolean dynamic) {
        this.dynamic = dynamic;
    }

    public boolean isEnableFirstCache() {
        return enableFirstCache;
    }

    public void setEnableFirstCache(boolean enableFirstCache) {
        this.enableFirstCache = enableFirstCache;
    }

    public String getUmpKeyPrefix() {
        return umpKeyPrefix;
    }

    public void setUmpKeyPrefix(String umpKeyPrefix) {
        this.umpKeyPrefix = umpKeyPrefix;
    }
}

基于jimDB Caffiene缓存实现多级缓存管理器


/**
 * 二级缓存实现
 * caffeine + jimDB 二级缓存
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public class CaffeineJimMultilevelCacheManager extends AbstractMultilevelCacheManager {

    private CaffeineCacheManager caffeineCacheManager;

    private JimCacheManager jimCacheManager;

    public CaffeineJimMultilevelCacheManager(CaffeineCacheManager caffeineCacheManager, JimCacheManager jimCacheManager) {
        this.caffeineCacheManager = caffeineCacheManager;
        this.jimCacheManager = jimCacheManager;
        caffeineCacheManager.setAllowNullValues(this.allowNullValues);
    }

    /**
     * 一级缓存实现
     * 基于caffeine实现
     * @see org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache
     * @param name
     * @return
     */
    @Override
    protected Cache getFirstCache(String name) {
        if(!isEnableFirstCache()){
            return null;
        }
        return caffeineCacheManager.getCache(name);
    }

    /**
     * 二级缓存基于jimDB实现
     * @see com.jd.jim.cli.springcache.JimStringCache
     * @param name
     * @return
     */
    @Override
    protected Cache getSecondCache(String name) {
        return jimCacheManager.getCache(name);
    }
}

缓存配置

/**
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfiguration {

    /**
     * 基于caffeine + JimDB 多级缓存Manager
     * @param firstCacheManager
     * @param secondCacheManager
     * @return
     */
    @Primary
    @Bean(name = "caffeineJimCacheManager")
    public CacheManager multilevelCacheManager(@Param("firstCacheManager") CaffeineCacheManager firstCacheManager,
                                               @Param("secondCacheManager") JimCacheManager secondCacheManager){
        CaffeineJimMultilevelCacheManager cacheManager = new CaffeineJimMultilevelCacheManager(firstCacheManager, secondCacheManager);
        cacheManager.setUmpKeyPrefix(String.format("%s.%s", UmpConstants.Key.PREFIX, UmpConstants.SYSTEM_NAME));
        cacheManager.setEnableFirstCache(true);
        cacheManager.setDynamic(true);
        return cacheManager;
    }

    /**
     * 一级缓存Manager
     * @return
     */
    @Bean(name = "firstCacheManager")
    public CaffeineCacheManager firstCacheManager(){
        CaffeineCacheManager firstCacheManager = new CaffeineCacheManager();
        firstCacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(firstCacheInitialCapacity)
                .maximumSize(firstCacheMaximumSize)
                .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(firstCacheDurationSeconds)));
        firstCacheManager.setAllowNullValues(true);
        return firstCacheManager;
    }

    /**
     * 初始化二级缓存Manager
     * @param jimClientLF
     * @return
     */
    @Bean(name = "secondCacheManager")
    public JimCacheManager secondCacheManager(@Param("jimClientLF") Cluster jimClientLF){
        JimDbCache jimDbCache = new JimDbCache<>();
        jimDbCache.setJimClient(jimClientLF);
        jimDbCache.setKeyPrefix(MultilevelCacheConstants.SERVICE_RULE_MATCH_CACHE);
        jimDbCache.setEntryTimeout(secondCacheExpireSeconds);
        jimDbCache.setValueSerializer(new JsonStringSerializer(ServiceRuleMatchResult.class));
        JimCacheManager secondCacheManager = new JimCacheManager();
        secondCacheManager.setCaches(Arrays.asList(jimDbCache));
        return secondCacheManager;
    }

接口性能压测

压测环境

廊坊4C8G * 3

压测结果

1、50并发时,未开启缓存,压测5min,TP99: 67ms,TP999: 223ms,TPS:2072.39笔/秒,此时服务引擎cpu利用率40%左右;订购履约cpu利用率70%左右,磁盘使用率4min后被打满;

2、50并发时,开启二级缓存,压测10min,TP99: 33ms,TP999: 38ms,TPS:28521.18.笔/秒,此时服务引擎cpu利用率90%左右,订购履约cpu利用率10%左右,磁盘使用率3%左右;

缓存命中分析

总调用次数:1840486/min 一级缓存命中:1822820 /min 二级缓存命中:14454/min
一级缓存命中率:99.04%
二级缓存命中率:81.81%

压测数据

未开启缓存

image.png

开启多级缓存

image.png

监控数据

未开启缓存

下游应用由于4分钟后磁盘打满,性能到达瓶颈

接口UMP

image.png

服务引擎系统

image.png

订购履约系统

image.png

开启缓存

上游系统CPU利用率90%左右,下游系统调用量明显减少,CPU利用率仅10%左右

接口UMP

image.png

服务引擎系统

image.png

订购履约系统:

image.png

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