上次我们说了多级缓存,本章详细介绍下内存缓存该如何设计。
一:分析设计
假设有个项目有一定并发量,要用到多级缓存,如下:
在实际设计一个内存缓存前,我们需要考虑的问题:
1:内存与Redis的数据置换,尽可能在内存中提高数据命中率,减少下一级的压力。
2:内存容量的限制,需要控制缓存数量。
3:热点数据更新不同,需要可配置单个key过期时间。
4:良好的缓存过期删除策略。
5:缓存数据结构的复杂度尽可能的低。
关于置换及命中率:我们采用LRU算法,因为它实现简单,缓存key命中率也很好。
LRU即是:把最近最少访问的数据给淘汰掉,经常被访问到即是热点数据。
关于LRU数据结构:因为key优先级提升和key淘汰,所以需要顺序结构。我看到大多实现,都采用链表结构、
即:新数据插入到链表头部、被命中时的数据移动到头部。 添加复杂度O(1) 移动和获取复杂度O(N)。
有没复杂度更低的呢? 有Dictionary,复杂度为O(1),性能最好。 那如何保证缓存的优先级提升呢?
二:O(1)LRU实现
我们定义个LRUCache<TValue>类,构造参数maxKeySize 来控制缓存最大数量。
使用ConcurrentDictionary来作为我们的缓存容器,并能保证线程安全。
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publicclassLRUCache<TValue> : IEnumerable<KeyValuePair<string, TValue>>
{
privatelongageToDiscard =0; //淘汰的年龄起点
privatelongcurrentAge =0; //当前缓存最新年龄
privateintmaxSize =0; //缓存最大容量
privatereadonly ConcurrentDictionary<string, TrackValue> cache;
publicLRUCache(intmaxKeySize)
{
cache =newConcurrentDictionary<string, TrackValue>();
maxSize = maxKeySize;
}
}
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上面定义了 ageToDiscard、currentAge 这2个自增值参数,作用是:标记缓存列表中各个key的新旧程度。
核心实现步骤如下:
1:每次添加key时,currentAge自增并将currentAge值分配给这个缓存值的Age,currentAge始终增加。
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publicvoidAdd(string key, TValue value)
{
Adjust(key);
var result =newTrackValue(this, value);
cache.AddOrUpdate(key, result, (k, o) => result);
}
publicclassTrackValue
{
publicreadonly TValue Value;
publiclongAge;
publicTrackValue(LRUCache<TValue> lv, TValue tv)
{
Age = Interlocked.Increment(ref lv.currentAge);
Value = tv;
}
}
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2:在添加时,如超过最大数量。检查字典里是否有ageToDiscard年龄的key,如没有循环自增检查,有则删除、添加成功。
ageToDiscard+maxSize= currentAge ,这样设计就能在O(1)下保证可以淘汰旧数据,而不是使用链表移动。
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publicvoidAdjust(string key)
{
while(cache.Count >= maxSize)
{
longageToDelete = Interlocked.Increment(ref ageToDiscard);
var toDiscard =
cache.FirstOrDefault(p => p.Value.Age == ageToDelete);
if(toDiscard.Key ==null)
continue;
TrackValue old;
cache.TryRemove(toDiscard.Key, out old);
}
}
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过期删除策略
大多数情况下,LRU算法对热点数据命中率是很高的。 但如果突然大量偶发性的数据访问,会让内存中存放大量冷数据,也就是缓存污染。
会引起LRU无法命中热点数据,导致缓存系统命中率急剧下降。也可以使用LRU-K、2Q、MQ等变种算法来提高命中率。
过期配置
1:我们通过设定、最大过期时间来尽量避免冷数据常驻内存。
2:大多数情况每个缓存的时间要求不一致的,所以在增加单个key的过期时间。
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privateTimeSpan maxTime;
publicLRUCache(intmaxKeySize,TimeSpan maxExpireTime){}
//TrackValue增加创建时间和过期时间
publicreadonly DateTime CreateTime;
publicreadonly TimeSpan ExpireTime;
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删除策略
1:关于key过期删除,最好使用定时删除了。 这样可以最快释放被占用的内存,但很明显,大量的定时器对CPU吃不消的。
2:所以我们采用惰性删除、在获取key的时检查是否过期,过期直接删除。
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publicTuple<TrackValue, bool> CheckExpire(string key)
{
TrackValue result;
if(cache.TryGetValue(key, out result))
{
var age = DateTime.Now.Subtract(result.CreateTime);
if(age >= maxTime || age >= result.ExpireTime)
{
TrackValue old;
cache.TryRemove(key, out old);
returnTuple.Create(default(TrackValue),false);
}
}
returnTuple.Create(result,true);
}
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3:惰性删除虽然性能最好,对于冷数据来说,还是没解决缓存污染问题。 所以我们还需定期清理。
比如:开个线程,5分钟去遍历检查key一次。这个策略根据实际场景可配置。
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publicvoidInspection()
{
foreach (var item inthis)
{
CheckExpire(item.Key);
}
}
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惰性删除+定期删除基本能满足我们需求了。
总结
如果继续完善下去,就是内存数据库的雏形,类似redis。
比如:增加删除key的通知,增加更多数据类型。 本篇也是参考了redis、Orleans的实现。
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