[聚合文章] 基于.net的通用内存缓存模型组件

谈到缓存，我们自然而然就会想到缓存的好处，比如：

•     降低高并发数据读取的系统压力：静态数据访问、动态数据访问
•     存储预处理数据，提升系统响应速度和TPS
•     降低高并发数据写入的系统压力
•     提升系统可用性，后台宕机后，系统还存在可用的机会

缓存技术一直是优化程序性能的一个重要手段，在互联网技术体系中，也不例外。但是在分布式架构下，大家开始更多的使用分布式缓存，比如Redis、MemcacheD等等，对进程内的内存缓存使用的越来越少。其主要原因无外乎几点：

一是，数据不能做到强一致性，程序内存数据缓存同步的周期相对分布缓存更慢一些。

二是，需要对缓存的各种同步策略进行封装，并控制同步时机。进程内缓存的使用比分布式缓存的使用具有更高的技术门槛。没有分布缓存使用简单。   

虽然分布式缓存具有非常多很好的特性，但是当完全抛弃了程序内存缓存后，分布式缓存将会被滥用，应用程序甚至过度的依赖分布式缓存。笔者认为，任何一种技术的滥用，都将可能导致系统架构在健壮性上存在缺陷。分布式缓存虽然很好用，性能也不错，但是与进程内存缓存比起来，性能还是差了好多个数量级。要想把系统的性能做到极致，仅仅依赖Redis等分布式缓存还不不够的，还需要充分利用进程内存缓存。

缓存技术，从出现到现在，总结来说，已有四个阶段的发展：本地缓存、分布式缓存、弹性缓存平台，弹性应用平台。本地缓存的特点是数据存储在应用代码所在内存空间，可提供快速的数据访问，纳秒级性能。缺点也很明显，数据无法分布式共享，无容错处理。分布式缓存的特点是数据在固定数目的集群节点间分布存储，缓存容量可扩展(静态扩展)，但是扩展过程中需大量配置，无容错机制。弹性缓存平台的特性是数据在集群节点间分布存储，基于冗余机制实现高可用性。其优点是可动态扩展，具有容错能力，但是复制备份会对系统性能造成一定影响。弹性应用平台的特点是弹性缓存与代码执行的组合体，将业务逻辑代码转移到数据所在节点执行，极大地降低数据传输开销，提升系统性能。纵观整个缓存技术的发展，经历了从分散到集中，又到集中并分散的一个过程。弹性应用平台作为最终的缓存解决方案，已经不仅仅停留在缓存技术本身，而是更多的考虑了如何更好的与业务代码无缝集成，并提供进程内存级别的性能。

基于此，我们规划设计了一个通用的内存缓存组件。通过此组件，可以实现各种内存数据的缓存，以及缓存数据同步等，并提供了分布式缓存数据同步到进程内存的方案。此组件与传统的缓存组件有很大的不同，它是对进程内存缓存的使用和同步做了抽象和总结，直接提供了一套模型。上文也提到，使用进程内存缓存最大的挑战在与数据同步，那么，我们先看一下影响进程内存缓存同步的一些因素。通过下图，我们看到在同步策略、同步时机、同步模式上都有很多选择。进程内存缓存的使用，其实就是下面三个维度组合处理的一个结果。

在实际的业务中，同步策略更多的会基于时间、数据版本或者时间来做，然后选择合适的同步时机和模式来执行数据同步。所以，在组件的封装上，我们支持了三种应用模型：

• 对缓存数据标记有效期，过期自动清理
• 缓存数据时，同时缓存数据版本，定时校验或实时校验数据版本，发现版本不一致时清理或重新同步缓存数据
• 缓存数据并订阅数据变化通知，当收到变化通知后，更新缓存数据

模型一：对缓存数据标记有效期，过期自动清理

此模型主要适用于， 比如：字符串资源信息查询、App充电地图数据、App最新动态、高频率日志记录、配置中心数据的缓存等等。

• 数据实时性要求很低，访问频率很高，变化频率较小的数据查询

• 访问频率很高，查询参数基本一致的数据查询

• 访问频率很高，允许丢失的辅助信息写入

代码示例：

//nuget：Teld.Core

//引用：Teld.Core.Cache.ServiceEx.dll

// 创建一个带过期时间的本地内存容器

using(var   container =   LocalCacheService. CreateExpirationContainer (" TTP-Cache- CFG"))

{

  // 向容器中增加项目，3秒钟的有效期

  container.Add("Name",   "张三",   new   TimeSpan(0, 0, 3));

  //想容器中增加项目，永久有效

  container.Add("Address",   "鑫盛大厦1号楼12层北特来电");

}

模型二：对缓存数据标记有效期，过期自动清理

此模型主要适用于， 比如：帮助查询等。

• 数据实时性要求不高，访问频率很高的数据查询
• 访问频率很高，查询参数基本一致的数据查询

代码示例1： 定时同步，每分钟执行一次版本同步

代码示例2： 调用缓存Get方法时，自动同步缓存    

static void Main (string[] args)

{ //创建缓存数据同步代理

CacheValidateEventHandler<UserInfo> handler = new CacheValidateEventHandler<UserInfo>(SyncUserData);

//创建一个带版本校验的本地内存缓存容器

varcontainer = LocalCacheService.CreateVersionContainer<UserInfo>("TTP-Cache-User", handler, SyncTime.GetCheck , SyncModel.All);

container.SyncFailed += Container_SyncFailed; //数据同步失败，事件通知

var user = container.Get("Name"); //从缓存数据中获取数据

Console.WriteLine(JsonConvert.SerializeObject(user));

Console.ReadLine();

}

模型三：缓存数据并订阅数据变化通知，当收到变化通知后，更新缓存数据

此模型主要适用于， 比如：电站状态缓存等。

• 数据实时性要求比较高，访问频率很高的数据查询

代码示例1： 带事件更新通知的缓存    

public void GetString_Invoke()

{

//创建一个带MQ变化通知的本地内存缓存容器

using (var container = LocalCacheService.CreateEventContainer<string>("TTP-Cache-EventCacheUnitTest",

(CacheValidateEventArgs e, out string newVersion) =>

{

newVersion = Guid.NewGuid().ToString();

return BuildStringData();

}, SyncModel.All, 1))

{

container.SyncData(); //为容器初始化数据

var data = container.Get("lastModifytime");  //获取数据项

Assert.IsNotNull(data);

var data1 = container.Get("lastModifytime");

Assert.AreEqual(data, data1);

//发送数据项的更新通知事件

LocalCacheService.SendDataChangedEvent(container.Name, "lastModifytime");

Thread.Sleep(5000);

var data2 = container.Get("lastModifytime");

Assert.AreNotEqual(data2, data);

}

}

代码示例2：数据删除的事件通知

以上是此缓存组件应用的三种模型。三种模型，可通过 LocalCacheService 创建。其代码如下：

public class LocalCacheService

{

/// <summary>

/// 创建过期自动清理的本地内存缓存容器

/// </summary>

/// <param name=" key "> 容器标识,三段式命名，全局唯一：TTP-Resource-DataCache </param>

/// <param name=" limitSize "> 限制使用的内存大小（M） </param>

public static IExpirationCacheContainer CreateExpirationContainer( string key, long ? limitSize = null )

{

if ( string .IsNullOrEmpty(key))

{

throw new ArgumentException ( "Key值不能为空！" , nameof (key));

}

return new InMemoryExpirationContainer (key, limitSize);

}

/// <summary>

/// 创建基于版本比较的本地内存缓存容器

/// </summary>

/// <typeparam name=" T "></typeparam>

/// <param name=" key "> 容器标识,三段式命名，全局唯一：TTP-Resource-DataCache </param>

/// <param name=" handler "> 基于版本比较的数据处理器 </param>

/// <param name=" syncTime "> 同步时机 </param>

/// <param name=" model "> 同步模式 </param>

/// <param name=" syncTimeMin "> 同步时机为Timing时，同步时间间隔 </param>

/// <returns></returns>

public static IVersionCacheContainer < T > CreateVersionContainer< T >( string key, CacheValidateEventHandler < T > handler, SyncTime syncTime = SyncTime .Invoke, SyncModel model = SyncModel .All, int syncTimeSec=180) where T : class

{

if ( string .IsNullOrEmpty(key))

{

throw new ArgumentException ( "Key值不能为空！" , nameof (key));

}

if (handler == null )

{

throw new ArgumentNullException ( nameof (handler));

}

if (syncTimeSec == 0)

syncTimeSec = 180;

return new InMemoryVersionCacheContainer < T >(key, handler, syncTime, model, TimeSpan .FromSeconds(syncTimeSec));

}

/// <summary>

/// 创建基于事件通知的本地内存缓存容器

/// </summary>

/// <typeparam name=" T "></typeparam>

/// <param name=" key "> 容器标识,三段式命名，全局唯一：TTP-Resource-DataCache </param>

/// <param name=" handler "> 基于版本比较的数据处理器 </param>

/// <param name=" model "> 同步模式 </param>

/// <param name=" syncTimeMin "> 同步时机为Timing时，同步时间间隔 </param>

/// <returns></returns>

public static IVersionCacheContainer < T > CreateEventContainer< T >( string key, CacheValidateEventHandler < T > handler, SyncModel model = SyncModel .All, int syncTimeSec = 180) where T : class

{

if ( string .IsNullOrEmpty(key))

{

throw new ArgumentException ( "Key值不能为空！" , nameof (key));

}

if (handler == null )

{

throw new ArgumentNullException ( nameof (handler));

}

if (syncTimeSec == 0)

syncTimeSec = 180;

return new InMemoryEventCacheContainer < T >(key,model,handler, TimeSpan .FromSeconds(syncTimeSec));

} 

}

同步模式和同步时机的定义如下：

以上是我们在进程内存组件的一些实践心得，更多技术细节，欢迎同学们来电沟通。微信号：vveiliang