一、缓存概念知识

1、是什么缓存

日常生活中经常会听到缓存这个词，那到底什么是缓存呢？其实缓存就是数据交换的缓冲区（称作Cache），是临时存贮数据（使用频繁的数据）的地方。当用户查询数据，首先在缓存中寻找，如果找到了则直接执行；如果找不到则去数据库中查找。

缓存的本质就是用空间换时间，牺牲数据的实时性，以服务器内存中的数据暂时代替从数据库读取最新的数据，减少数据库IO，减轻服务器压力，减少网络延迟，加快页面打开速度。

2、缓存的优缺点

优点：

• 加快了响应速度
• 减少了对数据库的读操作，数据库的压力降低

缺点：

• 内存容量相对硬盘小

• 缓存中的数据可能与数据库中数据不一致

• 内存断电就会清空数据，造成数据丢失

3、为什么使用缓存

一般在远端服务器上，考虑到客户端请求量多，某些数据请求量大，这些热点数据要频繁的从数据库中读取，给数据库造成压力，导致响应客户端较慢。所以，在一些不考虑实时性的数据中，经常将这些数据存在内存中，当请求时候，能够直接读取内存中的数据及时响应。

缓存主要有解决高性能与高并发与减少数据库压力。缓存本质就是将数据存储在内存中，当数据没有发生本质变化的时候，应尽量避免直接连接数据库进行查询，因为并发高时很可能会将数据库压塌，而是应去缓存中读取数据，只有缓存中未查找到时再去数据库中查询，这样就大大降低了数据库的读写次数，增加系统的性能和能提供的并发量。

二、Redis概念知识

1、Redis简介

Redis 是一个高性能的 Key-Value 开源数据库， 是一个非关系型的数据库，是为了解决高并发、高扩展，大数据存储等一系列的问题而产生的数据库解决方案。但它不能替代关系型数据库，只能作为特定环境下的扩充。

2、为什么用Redis作为缓存

• 支持高可用： Redis 支持 master\slave 主\从机制、sentinal 哨兵模式、cluster 集群模式，大大保证了 Redis 运行的稳定和高可用性。
• 支持多种数据结构： Redis 不仅支持简单的 Key/Value 类型的数据，同时还提供 list、set、zset、hash 等数据结构的存储。
• 支持数据持久化： 可以将内存中的数据持久化在磁盘中，当宕机或者故障重启时，可以再次加载进如 Redis，从而不会或减少数据的丢失。
• 生态完善： Redis 已成为业界内缓存的首选目标，所以很多语言和工具对其支持。

3、Redis 支持的数据类型

Redis 支持的数据结构类型包括：

• 字符串（string）
• 哈希表（hash）
• 列表（list）
• 集合（set）
• 有序集合（zset）

为了保证读取效率，Redis 把数据对象存储在内存中，并支持周期性的把更新的数据写入磁盘文件中。而且它还提供了交集和并集，以及一些不同方式排序的操作。

redis的特性决定了它的功能，它可以用来做以下这些事情！

1. 排行榜，利用zset可以方便的实现排序功能
2. 计数器，利用redis中原子性的自增操作，可以统计到阅读量，点赞量等功能
3. 简单消息队列，list存储结构，满足先进先出的原则，可以使用lpush/rpop或rpush/lpop实现简单消息队列
4. session共享，分布式系统中，可以利用redis实现session共享。spring官方提供的分布式解决方案Spring Session就是利用redis 实现的

4、Redis缓存常见问题

1. 缓存穿透

缓存穿透： 指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时需要从数据库查询，查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询，造成缓存穿透。

几种解决办法：

• 缓存空值，在从 DB 查询对象为空时，也要将空值存入缓存，具体的值需要使用特殊的标识， 能和真正缓存的数据区分开，另外将其过期时间设为较短时间。
• 使用布隆过滤器，布隆过滤器能判断一个 key 一定不存在（不保证一定存在，因为布隆过滤器结构原因，不能删除，但是旧值可能被新值替换，而将旧值删除后它可能依旧判断其可能存在），在缓存的基础上，构建布隆过滤器数据结构，在布隆过滤器中存储对应的 key，如果存在，则说明 key 对应的值为空。

2. 缓存击穿

缓存击穿： 某个 key 非常热点，访问非常频繁，处于集中式高并发访问的情况，当这个 key 在失效的瞬间，大量的请求就击穿了缓存，直接请求数据库，就像是在一道屏障上凿开了一个洞。

几种解决办法：

• 设置二级缓存，或者设置热点缓存永不过期，需要根据实际情况进行配置。
• 使用互斥锁，在执行过程中，如果缓存过期，那么先获取分布式锁，在执行从数据库中加载数据，如果找到数据就存入缓存，没有就继续该有的动作，在这个过程中能保证只有一个线程操作数据库，避免了对数据库的大量请求。

3. 缓存雪崩

缓存雪崩： 当缓存服务器重启、或者大量缓存集中在某一个时间段失效，这样在失效的时候，也会给后端系统(比如DB)带来很大压力，造成数据库后端故障，从而引起应用服务器雪崩。

几种解决办法：

• 缓存组件设计高可用，缓存高可用是指，存储缓存的组件的高可用，能够防止单点故障、机器故障、机房宕机等一系列问题。例如 Redis sentinel 和 Redis Cluster，都实现了高可用。
• 请求限流与服务熔断降级机制，限制服务请求次数，当服务不可用时快速熔断降级。
• 设置缓存过期时间一定的随机分布，避免集中在同一时间缓存失效。
• 定时更新缓存策略，对于实时性要求不高的数据，定时进行更新。

4. 缓存一致性

使用缓存很大可能导致数据不一致问题，如下：

• 更熟数据库成功 -> 更新缓存失败 -> 数据不一致
• 更新缓存成功 -> 更新数据库失败 -> 数据不一致
• 更新数据库成功 -> 淘汰缓存失败 -> 数据不一致
• 淘汰缓存成功 -> 更新数据库失败 -> 查询缓存mis

所以使用缓存时候，应该结合实际情况，考虑缓存的数据是否有一致性需求。

三、SpringBoot整合redis

1、使用redis缓存

1. 引入redis依赖

在pom.xml文件中引入Redis依赖，如下

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

2. 修改项目启动类

增加注解@EnableCaching，开启缓存功能，如下：

package com.demo;

import org.mybatis.spring.annotation.MapperScan;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;

@SpringBootApplication
@MapperScan("com.demo")
@EnableCaching
public class DemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }

}

3. 配置redis数据库

在application.properties中配置Redis连接信息，如下：

spring:
  redis:
    # redis库
    database: 0
    # redis 服务器地址
    host: localhost
    # redis 端口号
    port: 6379
    # redis 密码
    password:
    # 连接超时时间（毫秒）
    timeout: 1000
    lettuce:
      pool:
        # 连接池最大链接数（负数表示没有限制）
        max-active: 8
        # 连接池最大阻塞等待时间（负数表示没有限制）
        max-wait: -1
        # 连接池最大空闲连接数
        max-idle: 8
        # 连接池最小空闲连接数
        min-idle: 0

4. 创建redis配置类

新建Redis缓存配置类，如下：

import org.springframework.cache.CacheManager;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheConfiguration;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheManager;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.serializer.*;

import java.time.Duration;

/**
 * Redis 配置类
 */
@Configuration
public class RedisConfig {

    /**
     * 配置缓存管理器
     * @param factory Redis 线程安全连接工厂
     * @return 缓存管理器
     */
    @Bean
    public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory factory) {
        // 生成两套默认配置，通过 Config 对象即可对缓存进行自定义配置
        RedisCacheConfiguration cacheConfig1 = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig()
                // 设置过期时间 10 分钟
                .entryTtl(Duration.ofMinutes(10))
                // 设置缓存前缀
                .prefixKeysWith("cache:user:")
                // 禁止缓存 null 值
                .disableCachingNullValues()
                // 设置 key 序列化
                .serializeKeysWith(keyPair())
                // 设置 value 序列化
                .serializeValuesWith(valuePair());

        RedisCacheConfiguration cacheConfig2 = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig()
                // 设置过期时间 30 秒
                .entryTtl(Duration.ofSeconds(30))
                .prefixKeysWith("cache:admin:")
                .disableCachingNullValues()
                .serializeKeysWith(keyPair())
                .serializeValuesWith(valuePair());

        // 返回 Redis 缓存管理器
        return RedisCacheManager.builder(factory)
                .withCacheConfiguration("user", cacheConfig1)
                .withCacheConfiguration("admin", cacheConfig2)
                .build();
    }

    /**
     * 配置键序列化
     * @return StringRedisSerializer
     */
    private RedisSerializationContext.SerializationPair<String> keyPair() {
        return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new StringRedisSerializer());
    }

    /**
     * 配置值序列化，使用 GenericJackson2JsonRedisSerializer 替换默认序列化
     * @return GenericJackson2JsonRedisSerializer
     */
    private RedisSerializationContext.SerializationPair<Object> valuePair() {
        return RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer());
    }

}

5. 操作redis

SpringBoot提供了两个bean来操作redis，分别是RedisTemplate 和 StringRedisTemplate，这两者的主要区别如下：

RedisTemplate使用的是JdkSerializationRedisSerializer ，存入数据会将数据先序列化成字节数组然后在存入Redis数据库；

StringRedisTemplate使用的是StringRedisSerializer。

示例如下：

@RestController
public class UserController {

    @Autowired
    private UserService userServer;
    
    @Autowired
    StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    
    /**
     * 查询所有课程
     */
    @RequestMapping("/allCourses")
    public String findAll() {
        List<Courses> courses = userServer.findAll();
        
        // 将查询结果写入redis缓存
        stringRedisTemplate.opsForValue().set("hot", String.valueOf(courses));
        
        // 读取redis缓存
        System.out.println(stringRedisTemplate.opsForValue().get("courses"));

        return "ok";
    }
}

2、使用 SpringCache 的注解

1. 注解说明

• @CacheConfig： 一般配置在类上，指定缓存名称，这个名称是和上面“置缓存管理器”中缓存名称的一致。
• @Cacheable： 用于对方法返回结果进行缓存，如果已经存在该缓存，则直接从缓存中获取，缓存的key可以从入参中指定，缓存的 value 为方法返回值。
• @CachePut： 无论是否存在该缓存，每次都会重新添加缓存，缓存的key可以从入参中指定，缓存的value为方法返回值，常用作于更新。
• @CacheEvict： 用于清除缓存
• @Caching： 用于一次性设置多个缓存。

2. 常用注解配置参数

• value： 缓存管理器中配置的缓存的名称，这里可以理解为一个组的概念，缓存管理器中可以有多套缓存配置，每套都有一个名称，类似于组名，这个可以配置这个值，选择使用哪个缓存的名称，配置后就会应用那个缓存名称对应的配置。
• key： 缓存的 key，可以为空，如果指定要按照 SpEL 表达式编写，如果不指定，则缺省按照方法的所有参数进行组合。
• condition： 缓存的条件，可以为空，使用 SpEL 编写，返回 true 或者 false，只有为 true 才进行缓存。
• unless： 不缓存的条件，和 condition 一样，也是 SpEL 编写，返回 true 或者 false，为 true 时则不进行缓存。

3. 自动缓存

@Cacheable可以标记在一个方法上，也可以标记在一个类上。当标记在一个方法上时表示该方法是支持缓存的，当标记在一个类上时则表示该类所有的方法都是支持缓存的。

如果添加了@Cacheable注解，那么方法被调用后，值会被存入redis，下次再调用的时候会直接从redis中取值返回。

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "user")
public class UserService {

    @Autowired
    private UserMapper userMapper;
    
    // 获取全部用户
    @Cacheable(key = "'allUsers'", unless = "#result==null")
    public List<Courses> findAll() {
        return userMapper.allUsers();
    }
}

四、案例说明

1、创建实体类（model层）

public class User {
    private String username;
    private String password;    
    
    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public void setUsername(String username) {
        this.username = username;
    }

    public String getPassword() {
        return password;
    }

    public void setPassword(String password) {
        this.password = password;
    }
}

2、创建接口（mapper层）

@Component
public interface UserMapper {

    // 查询所有用户
    @Select("select * from user_tbl")
    List<Courses> allUsers();
    
    // 更新用户信息
    @Update("update user_tbl set password=#{password} where username=#{username};")
    boolean updateUser(String username, String password);

    // 删除用户
    @Select("delete from user_tbl where username = #{username};")
    Integer delUser(String username);
}

3、创建服务类（service层）

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "user")
public class UserService {

    @Autowired
    private UserMapper userMapper;

    // 查询全部用户
    @Cacheable(key = "'allUsers'", unless = "#result==null")
    public List<Courses> allUsers() {
        return userMapper.allUsers();
    }
        
    // 更新用户信息
    @CachePut(key = "#user.username")
    public void updateUser(String username, String password) {
        userMapper.updateUser(username, password);
    }
    
    // 删除用户
    @CacheEvict(key = "#username")
    public void delUser(String username) {
        userMapper.delUser(username);
    }
}

4、创建控制器（controller层）

@RestController
public class UserController {

    @Autowired
    private UserService userServer;
    
    @Autowired
    StringRedisTemplate stringRedisTemplate;


    /**
     * 查询所有用户
     */
    @RequestMapping("/allUsers")
    public String allUsers() {
        userServer.allUsers();
        return "ok";
    }
    
    
    /**
     * 更新用户信息
     */
    @RequestMapping("/updateUser")
    public String updateUser() {
        String username = "tom";
        String password = "abc123";
        userServer.updateUser(username,password);
        return "ok";
    }
    
    
    /**
     * 删除用户
     */
    @RequestMapping("/delUser")
    public String delUser() {
        String username = "tom"; 
        userServer.delUser(username);
        return "ok";
    }
    
}