1.缓存的基本思想

很多朋友，只知道缓存可以提高系统性能以及减少请求相应时间，但是，不太清楚缓存的本质思想是什么。

缓存的基本思想其实很简单，就是我们非常熟悉的空间换时间。不要把缓存想的太高大上，虽然，它的确对系统的性能提升的性价比非常高。

其实，我们在学习使用缓存的时候，你会发现缓存的思想实际在操作系统或者其他地方都被大量用到。 比如 CPU Cache 缓存的是内存数据用于解决 CPU 处理速度和内存不匹配的问题，内存缓存的是硬盘数据用于解决硬盘访问速度过慢的问题。 再比如操作系统在 页表方案 基础之上引入了 快表 来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把快表理解为一种特殊的高速缓冲存储器（Cache）。

回归到业务系统来说：我们为了避免用户在请求数据的时候获取速度过于缓慢，所以我们在数据库之上增加了缓存这一层来弥补。

当别人再问你，缓存的基本思想的时候，就把上面 👆 这段话告诉他，我觉得会让别人对你刮目相看。

2. 使用缓存为系统带来了什么问题

软件系统设计中没有银弹，往往任何技术的引入都像是把双刃剑。 你使用的方式得当，就能为系统带来很大的收益。否则，只是费了精力不讨好。

简单来说，为系统引入缓存之后往往会带来下面这些问题：

ps:其实我觉得引入本地缓存来做一些简单业务场景的话，实际带来的代价几乎可以忽略，下面 👇 主要是针对分布式缓存来说的。

1. 系统复杂性增加 ：引入缓存之后，你要维护缓存和数据库的数据一致性、维护热点缓存等等。
2. 系统开发成本往往会增加 ：引入缓存意味着系统需要一个单独的缓存服务，这是需要花费相应的成本的，并且这个成本还是很贵的，毕竟耗费的是宝贵的内存。但是，如果你只是简单的使用一下本地缓存存储一下简单的数据，并且数据量不大的话，那么就不需要单独去弄一个缓存服务。

3. 本地缓存解决方案

先来聊聊本地缓存，这个实际在很多项目中用的蛮多，特别是单体架构的时候。数据量不大，并且没有分布式要求的话，使用本地缓存还是可以的。

常见的单体架构图如下，我们使用 Nginx 来做负载均衡，部署两个相同的服务到服务器，两个服务使用同一个数据库，并且使用的是本地缓存。

那本地缓存的方案有哪些呢？且听 Guide 给你来说一说。

一：JDK 自带的 HashMap 和 ConcurrentHashMap 了。

ConcurrentHashMap 可以看作是线程安全版本的 HashMap ，两者都是存放 key/value 形式的键值对。但是，大部分场景来说不会使用这两者当做缓存，因为只提供了缓存的功能，并没有提供其他诸如过期时间之类的功能。一个稍微完善一点的缓存框架至少要提供：过期时间、淘汰机制、命中率统计这三点。

二： Ehcache 、 Guava Cache 、 Spring Cache 这三者是使用的比较多的本地缓存框架。

• Ehcache 的话相比于其他两者更加重量。不过，相比于 Guava Cache 、 Spring Cache 来说， Ehcache 支持可以嵌入到 hibernate 和 mybatis 作为多级缓存，并且可以将缓存的数据持久化到本地磁盘中、同时也提供了集群方案（比较鸡肋，可忽略）。
• Guava Cache 和 Spring Cache 两者的话比较像。Guava 相比于 Spring Cache 的话使用的更多一点，它提供了 API 非常方便我们使用，同时也提供了设置缓存有效时间等功能。它的内部实现也比较干净，很多地方都和 ConcurrentHashMap 的思想有异曲同工之妙。
• 使用 Spring Cache 的注解实现缓存的话，代码会看着很干净和优雅，但是很容易出现问题比如缓存穿透、内存溢出。

三： 后起之秀 Caffeine。

相比于 Guava 来说 Caffeine 在各个方面比如性能要更加优秀，一般建议使用其来替代 Guava 。并且， Guava 和 Caffeine 的使用方式很像！

本地缓存固然好，但是缺陷也很明显，比如多个相同服务之间的本地缓存的数据无法共享。

4. 为什么要有分布式缓存?/为什么不直接用本地缓存?

本地的缓存的优势非常明显：低依赖、轻量、简单、成本低。

但是，本地缓存

1. 本地缓存对分布式架构支持不友好，比如同一个相同的服务部署在多台机器上的时候，各个服务之间的缓存是无法共享的，因为本地缓存只在当前机器上有。
2. 本地缓存容量受服务部署所在的机器限制明显。 如果当前系统服务所耗费的内存多，那么本地缓存可用的容量就很少。

我们可以把分布式缓存（Distributed Cache） 看作是一种内存数据库的服务，它的最终作用就是提供缓存数据的服务。

如下图所示，就是一个简单的使用分布式缓存的架构图。我们使用 Nginx 来做负载均衡，部署两个相同的服务到服务器，两个服务使用同一个数据库和缓存。

1. 使用分布式缓存之后，缓存部署在一台单独的服务器上，即使同一个相同的服务部署在再多机器上，也是使用的同一份缓存。 并且，单独的分布式缓存服务的性能、容量和提供的功能都要更加强大。

使用分布式缓存的缺点呢，也很显而易见，那就是你需要为分布式缓存引入额外的服务比如 Redis 或 Memcached，你需要单独保证 Redis 或 Memcached 服务的高可用。

5. 缓存读写模式/更新策略

下面介绍到的三种模式各有优劣，不存在最佳模式，根据具体的业务场景选择适合自己的缓存读写模式。

5.1. Cache Aside Pattern（旁路缓存模式）

1. 写：更新 DB，然后直接删除 cache 。
2. 读：从 cache 中读取数据，读取到就直接返回，读取不到的话，就从 DB 中取数据返回，然后再把数据放到 cache 中。

Cache Aside Pattern 中服务端需要同时维系 DB 和 cache，并且是以 DB 的结果为准。另外，Cache Aside Pattern 有首次请求数据一定不在 cache 的问题，对于热点数据可以提前放入缓存中。

Cache Aside Pattern 是我们平时使用比较多的一个缓存读写模式，比较适合读请求比较多的场景。

5.2. Read/Write Through Pattern（读写穿透）

Read/Write Through 套路是：服务端把 cache 视为主要数据存储，从中读取数据并将数据写入其中。cache 服务负责将此数据读取和写入 DB，从而减轻了应用程序的职责。

1. 写（Write Through）：先查 cache，cache 中不存在，直接更新 DB。 cache 中存在，则先更新 cache，然后 cache 服务自己更新 DB（同步更新 cache 和 DB）。
2. 读(Read Through)： 从 cache 中读取数据，读取到就直接返回 。读取不到的话，先从 DB 加载，写入到 cache 后返回响应。

Read-Through Pattern 实际只是在 Cache-Aside Pattern 之上进行了封装。在 Cache-Aside Pattern 下，发生读请求的时候，如果 cache 中不存在对应的数据，是由客户端自己负责把数据写入 cache，而 Read Through Pattern 则是 cache 服务自己来写入缓存的，这对客户端是透明的。

和 Cache Aside Pattern 一样， Read-Through Pattern 也有首次请求数据一定不再 cache 的问题，对于热点数据可以提前放入缓存中。

5.3. Write Behind Pattern（异步缓存写入）

Write Behind Pattern 和 Read/Write Through Pattern 很相似，两者都是由 cache 服务来负责 cache 和 DB 的读写。

但是，两个又有很大的不同：Read/Write Through 是同步更新 cache 和 DB，而 Write Behind Caching 则是只更新缓存，不直接更新 DB，而是改为异步批量的方式来更新 DB。

Write Behind Pattern 下 DB 的写性能非常高，尤其适合一些数据经常变化的业务场景比如说一篇文章的点赞数量、阅读数量。 往常一篇文章被点赞 500 次的话，需要重复修改 500 次 DB，但是在 Write Behind Pattern 下可能只需要修改一次 DB 就可以了。

但是，这种模式同样也给 DB 和 Cache 一致性带来了新的考验，很多时候如果数据还没异步更新到 DB 的话，Cache 服务宕机就 gg 了。

作者：angel
链接：https://juejin.im/post/6894496538710835207