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SpringBoot系列——使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存

文章目录

      1. 前言- 2. 缓存- - 2.1 什么是缓存- 2.2 使用缓存的好处- 2.3 缓存的成本- 2.4 Spring Cache和Redis的优点- 3. Spring Cache基础知识- - 3.1 Spring Cache的核心概念- 3.2 Spring Cache的注解- - 3.2.1 SpEL表达式- 3.2.2 @Cacheable- 3.2.3 @CachePut- 3.2.4 @CacheEvict- 4. 实现查询数据缓存- - 4.1 准备工作- 4.2 添加依赖- 4.3 修改配置文件- 4.4 配置缓存管理器- 4.5 使用Spring Cache注解- 4.6 测试- - 4.6.1 查询测试- 4.6.2 更新、删除测试- 5. 总结

1. 前言

在现代应用程序中，查询缓存的使用已经变得越来越普遍。它不仅能够显著提高系统的性能，还能提升用户体验。缓存通过在内存中存储频繁访问的数据，减少对数据库或其他存储系统的访问，从而加快数据读取速度。在这篇文章中，我们将探讨缓存的基本概念、重要性以及如何使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存 。

2. 缓存

2.1 什么是缓存

缓存是一种临时存储机制，用于在内存中保存频繁访问的数据。它可以是硬件（如CPU缓存）或软件（如应用程序缓存）。缓存的主要目的是通过减少数据访问的延迟，提高系统的响应速度。以下是缓存的一些关键特性：

  • 临时性：缓存中的数据通常是临时的，会在一段时间后失效或被替换。
  • 快速访问：由于缓存数据存储在内存中，访问速度非常快。
  • 空间有限：缓存的存储空间通常有限，因此需要有效的管理策略，如LRU（最近最少使用）策略。

2.2 使用缓存的好处

  1. 提高性能：缓存可以显著减少数据读取的时间，因为内存访问速度比硬盘或网络存储快很多。
  2. 减轻数据库负载：缓存可以减少数据库的查询次数，从而减轻数据库的负载，提升整体系统的稳定性和可扩展性。
  3. 节省资源：通过减少对后端系统的访问，缓存可以帮助节省带宽和计算资源。
  4. 提高用户体验：快速的数据访问可以显著提升用户体验，特别是在需要频繁读取数据的应用场景中。

2.3 缓存的成本

  1. 内存消耗：缓存需要占用系统的内存资源，过多的缓存可能会影响其他应用程序的性能。
  2. 数据一致性：缓存中的数据可能会与数据库中的数据不一致，尤其是在数据频繁更新的场景中。需要设计有效的缓存失效策略来保证数据的一致性。
  3. 复杂性增加：引入缓存机制会增加系统的复杂性，需要处理缓存的管理、更新和失效等问题。
  4. 维护成本：缓存系统需要定期监控和维护，以确保其高效运行。

2.4 Spring Cache和Redis的优点

为了实现高效的数据缓存，Spring Boot提供了Spring Cache模块，而Redis则是一个强大的缓存数据库。结合使用Spring Cache和Redis，能够充分发挥二者的优点，实现高效的数据缓存。

  • Spring Cache的优点： - 简化缓存操作：Spring Cache提供了一系列注解（如@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict），简化了缓存的使用，使开发者能够专注于业务逻辑。- 灵活的缓存管理：Spring Cache支持多种缓存提供者（如EhCache、Hazelcast、Redis等），可以根据具体需求选择合适的缓存实现。- 透明的缓存机制：Spring Cache使得缓存操作对业务代码透明，开发者无需关心缓存的具体实现细节。
  • Redis的优点： - 高性能：由于数据存储在内存中，Redis的读写速度非常快，能够处理每秒数百万级别的请求。- 丰富的数据结构：Redis支持多种数据结构，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等，能够满足不同场景下的数据存储需求。- 持久化支持：虽然Redis主要用于内存存储，但它也提供了数据持久化的功能，可以将数据定期保存到磁盘，防止数据丢失。- 分布式支持：Redis支持主从复制、哨兵模式和集群模式，能够实现高可用性和数据的水平扩展。- 灵活的过期策略：Redis支持为每个键设置过期时间，自动删除过期数据，方便实现缓存失效策略。

3. Spring Cache基础知识

在Spring Boot中，Spring Cache提供了一套简洁且强大的缓存抽象机制，帮助开发者轻松地将缓存集成到应用程序中。以下是Spring Cache的一些核心概念和常用注解。

3.1 Spring Cache的核心概念

  1. CacheManager- 定义：CacheManager是Spring Cache的核心接口，负责管理多个缓存实例。它是缓存操作的入口点，提供了获取和操作缓存实例的方法。- 实现：Spring提供了多种CacheManager实现，如ConcurrentMapCacheManager、EhCacheCacheManager、RedisCacheManager等。不同的实现适用于不同的缓存存储机制。
  2. Cache- 定义：Cache是缓存的具体实现，负责存储和检索缓存数据。它提供了基本的缓存操作，如put、get、evict等。- 实现：具体的Cache实现依赖于底层的缓存存储机制，如内存缓存、Redis缓存等。

3.2 Spring Cache的注解

3.2.1 SpEL表达式

因为Spring Cache使用SpEL表达式来动态生成缓存键，所以在学习Spring Cache的注解之前我们还要先简单了解一下SpEL表达式的语法，这部分可以先不看懂，在后面看注解的时候回来看即可。

SpEL表达式的语法类似于Java的表达式语法，支持以下几种操作：

  1. 字面量： - 数字：1, 2.5- 字符串：'hello', "world"- 布尔值：true, false- 空值：null
  2. 属性和方法： - 访问对象的属性：#user.name- 调用对象的方法：#user.getName()
  3. 运算符： - 算术运算：+, -, *, /, %- 比较运算：==, !=, <, >, <=, >=- 逻辑运算：&&, ||, !
  4. 集合和数组： - 访问集合元素：#users[0]- 集合操作：#users.size(), #users.isEmpty()
  5. 条件运算符： - 三元运算符：condition ? trueValue : falseValue- Elvis运算符：expression ?: defaultValue
  6. 变量： - 定义和使用变量：#variableName

接下来进入Spring Cache注解的学习：

3.2.2 @Cacheable
  • 作用：@Cacheable注解用于标注需要缓存的方法。当该方法被调用时，Spring Cache会先检查缓存中是否存在对应的数据。如果存在，则直接返回缓存数据；如果不存在，则执行方法并将结果存入缓存。
  • 示例：@RestController("/users")@RequiredArgsConstructorpublicclassUserController{privatefinalUserService userService;@Cacheable(value ="user", key ="#id")publicUsergetUser(Long id){// 获取用户的逻辑return userService.findById(id);}}
  • 参数： - value：指定缓存的名称。- key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。
3.2.3 @CachePut
  • 作用：@CachePut注解用于标注需要更新缓存的方法。即使缓存中已经存在数据，该方法仍然会执行，并将结果更新到缓存中。
  • 示例：@RestController("/users")@RequiredArgsConstructorpublicclassUserController{privatefinalUserService userService;@CachePut(value ="user", key ="#user.id")publicUserupdateUser(User user){// 更新用户的逻辑return userService.save(user);}}
  • 参数： - value：指定缓存的名称。- key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。
3.2.4 @CacheEvict
  • 作用：@CacheEvict注解用于标注需要清除缓存的方法。当该方法被调用时，Spring Cache会清除对应的缓存数据。
  • 示例：@RestController("/users")@RequiredArgsConstructorpublicclassUserController{privatefinalUserService userService;@CacheEvict(value ="user", key ="#id")publicvoiddeleteUser(Long id){// 删除用户的逻辑 userService.deleteById(id);}}
  • 参数： - value：指定缓存的名称。- key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。- allEntries：如果设置为true，则清除缓存中的所有数据。

4. 实现查询数据缓存

4.1 准备工作

  1. Redis安装与配置：

这里可以自行查找文章进行安装和配置，网上优质文章很多👻。

  1. 创建Product实体类：
@Data@AllArgsConstructorpublicclassProductimplementsSerializable{privateLong id;privateString name;privateInteger category;privateString description;privateInteger stock;}
  1. 创建枚举类ResultEnum：
@GetterpublicenumResultEnum{/* 成功状态码 */SUCCESS(1,"操作成功！"),/* 错误状态码 */FAIL(0,"操作失败！"),/* 参数错误：10001-19999 */PARAM_IS_INVALID(10001,"参数无效"),PARAM_IS_BLANK(10002,"参数为空"),PARAM_TYPE_BIND_ERROR(10003,"参数格式错误"),PARAM_NOT_COMPLETE(10004,"参数缺失"),/* 用户错误：20001-29999*/USER_NOT_LOGGED_IN(20001,"用户未登录，请先登录"),USER_LOGIN_ERROR(20002,"账号不存在或密码错误"),USER_ACCOUNT_FORBIDDEN(20003,"账号已被禁用"),USER_NOT_EXIST(20004,"用户不存在"),USER_HAS_EXISTED(20005,"用户已存在"),/* 系统错误：40001-49999 */FILE_MAX_SIZE_OVERFLOW(40003,"上传尺寸过大"),FILE_ACCEPT_NOT_SUPPORT(40004,"上传文件格式不支持"),/* 数据错误：50001-599999 */RESULT_DATA_NONE(50001,"数据未找到"),DATA_IS_WRONG(50002,"数据有误"),DATA_ALREADY_EXISTED(50003,"数据已存在"),AUTH_CODE_ERROR(50004,"验证码错误"),/* 权限错误：70001-79999 */PERMISSION_UNAUTHENTICATED(70001,"此操作需要登陆系统！"),PERMISSION_UNAUTHORIZED(70002,"权限不足，无权操作！"),PERMISSION_EXPIRE(70003,"登录状态过期！"),PERMISSION_TOKEN_EXPIRED(70004,"token已过期"),PERMISSION_LIMIT(70005,"访问次数受限制"),PERMISSION_TOKEN_INVALID(70006,"无效token"),PERMISSION_SIGNATURE_ERROR(70007,"签名失败");// 状态码int code;// 提示信息String message;ResultEnum(int code,String message){this.code = code;this.message = message;}publicintcode(){return code;}publicStringmessage(){return message;}publicvoidsetCode(int code){this.code = code;}publicvoidsetMessage(String message){this.message = message;}}
  1. 创建统一返回结果封装类Result：

相关文章可以看这里：Spring Boot3统一结果封装

@Data@NoArgsConstructorpublicclassResult<T>implementsSerializable{// 操作代码Integer code;// 提示信息String message;// 结果数据T data;publicResult(ResultEnum resultCode){this.code = resultCode.code();this.message = resultCode.message();}publicResult(ResultEnum resultCode,T data){this.code = resultCode.code();this.message = resultCode.message();this.data = data;}publicResult(String message){this.message = message;}//成功返回封装-无数据publicstaticResult<String>success(){returnnewResult<String>(ResultEnum.SUCCESS);}//成功返回封装-带数据publicstatic<T>Result<T>success(T data){returnnewResult<T>(ResultEnum.SUCCESS, data);}//失败返回封装-使用默认提示信息publicstaticResult<String>error(){returnnewResult<String>(ResultEnum.FAIL);}//失败返回封装-使用返回结果枚举提示信息publicstaticResult<String>error(ResultEnum resultCode){returnnewResult<String>(resultCode);}//失败返回封装-使用自定义提示信息publicstaticResult<String>error(String message){returnnewResult<String>(message);}}

4.2 添加依赖

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

4.3 修改配置文件

spring:data:redis:# Redis服务器地址host: ${shijun.redis.host}# Redis服务器端口port: ${shijun.redis.port}# Redis服务器认证密码password: ${shijun.redis.password}# Redis数据库索引database: ${shijun.redis.database}

4.4 配置缓存管理器

/**
 * 配置类，用于设置缓存管理器及相关配置，以启用缓存功能
 *
 * @author shijun
 * @date 2024/06/13
 */@EnableCaching@ConfigurationpublicclassCacheConfigextendsCachingConfigurerSupport{/**
     * 配置Redis键的序列化方式
     *
     * @return StringRedisSerializer，用于序列化和反序列化Redis中的键
     */privateRedisSerializer<String>keySerializer(){returnnewStringRedisSerializer();}/**
     * 配置Redis值的序列化方式
     *
     * @return GenericJackson2JsonRedisSerializer，使用Jackson库以JSON格式序列化和反序列化Redis中的值
     */privateRedisSerializer<Object>valueSerializer(){returnnewGenericJackson2JsonRedisSerializer();}/**
     * 缓存前缀，用于区分不同的缓存命名空间，一般以模块名或者服务名命名，这里暂时写cache
     */publicstaticfinalStringCACHE_PREFIX="cache:";/**
     * 配置缓存管理器，使用Redis作为缓存后端
     *
     * @param redisConnectionFactory Redis连接工厂，用于创建Redis连接
     * @return RedisCacheManager，Redis缓存管理器实例
     */@BeanpublicCacheManagercacheManager(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory){// 配置序列化，解决乱码的问题，设置缓存名称的前缀和缓存条目的默认过期时间RedisCacheConfiguration config =RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig()// 设置键的序列化器.serializeKeysWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(keySerializer()))// 设置值的序列化器.serializeValuesWith(RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(valueSerializer()))// 设置缓存名称的前缀.computePrefixWith(name ->CACHE_PREFIX+ name +":")// 设置缓存条目的默认过期时间为300秒.entryTtl(Duration.ofSeconds(300));// 创建非锁定的Redis缓存写入器RedisCacheWriter redisCacheWriter =RedisCacheWriter.nonLockingRedisCacheWriter(Objects.requireNonNull(redisConnectionFactory));// 返回Redis缓存管理器实例，使用上述配置returnnewRedisCacheManager(redisCacheWriter, config);}}

分析：
StringRedisSerializer ：使用 

StringRedisSerializer

将缓存的键序列化为字符串。因为Redis中的键通常是字符串类型，使用字符串序列化器可以确保键在Redis中以可读的形式存储，便于调试和管理。

GenericJackson2JsonRedisSerializer ：使用 

GenericJackson2JsonRedisSerializer

将缓存的值序列化为JSON格式，可读性高并且便于人工排查数据。

4.5 使用Spring Cache注解

由于我们的缓存的数据源来自于数据库,而数据库的数据是会发生变化的,因此,如果当数据库中数据发生变化,而缓存却没有同步，此时就会有数据一致性问题存在，在一些并发场景会出现问题。

这里采用

Cache Aside Pattern

即旁路缓存模式：缓存调用者在更新完数据库后再去更新缓存，也称之为双写方案。

  • 读流程：image-20240613224855076

分析：

  1. 应用程序首先从缓存中查找数据。
  2. 如果缓存命中，则直接返回缓存中的数据。
  3. 如果缓存未命中，则从数据库中读取数据，并将读取到的数据写入缓存，以便
  4. 后续请求可以直接从缓存中获取。
  • 写流程image-20240613221100300

分析：

  1. 应用程序首先更新数据库中的数据。
  2. 然后使缓存中的对应数据失效
@Slf4j@RestController("/products")publicclassProductController{/**
     * 根据ID获取产品信息
     * 通过@Cacheable注解，当请求的产品ID在缓存中存在时，直接从缓存中获取产品信息，减少数据库查询
     *
     * @param id 产品ID
     * @return 返回查询结果，包含指定ID的产品信息
     */@GetMapping("/getProductById")@Cacheable(value ="productsCache", key ="#id")publicResult<Product>getProductById(Long id){// 当从数据库获取数据时会打印，如果是从缓存中查询并不会执行到这里。
        log.info("从数据库获取产品: id = {}", id);Product product =newProduct(id,"product",100,"课本",10);returnResult.success(product);}/**
     * 更新产品信息
     * 通过@CacheEvict注解，当更新产品时，清除缓存中对应产品的数据，确保获取到最新的数据
     * 设置allEntries为true，表示清除整个缓存中的所有产品数据
     *
     * @param product 产品对象，包含更新后的详细信息
     * @return 返回更新结果，成功更新时返回成功标志
     */@PutMapping("/updateProduct")@CacheEvict(value ="productsCache", key ="#product.id")publicResultupdateProduct(@RequestBodyProduct product){// 更新操作returnResult.success();}/**
     * 删除指定ID的产品
     * 通过@CacheEvict注解，当删除产品时，清除缓存中对应产品的数据
     *
     * @param id 待删除产品的ID
     * @return 返回删除结果，成功删除时返回成功标志
     */@DeleteMapping("/deleteProductById")@CacheEvict(value ="productsCache", key ="#id")publicResultdeleteProductById(Long id){// 删除操作returnResult.success();}}

4.6 测试

4.6.1 查询测试

因为我们在查询接口上使用的

@Cacheable

接口，所以当执行查询操作时，第一次查询会从数据库中获取，因此会输出「从数据库获取产品: id = x」，此时查看Redis控制台会发现出现一个对应的缓存，之后的每次查询都会从Redis中查询（控制台不会输出「从数据库获取产品: id = x」），直到对应的缓存数据时间结束。

  1. 发送查询请求：
    image-20240613203320506

  2. 查看Redis中的缓存数据：

通过观察可以发现

CacheConfig

类中的序列化配置起作用了，Redis中的数据不再是一堆乱码，并且在右上角还有我们之前配置的缓存的过期时间（我们之前配置的300s）。

image-20240613203847598

  1. 查看控制台发现本次查询为从数据库查询：
    image-20240613212356495

  2. 再次发送会发现数据成功的查询了：
    image-20240613203438434

  3. 再次查询控制台发现并没有输出从数据库获取产品: id = 1，说明本次查询为从Redis缓存中获取数据。

    4.6.2 更新、删除测试

因为之前我们在更新和删除接口上使用的

@CacheEvict

注解，所以当执行更新或者删除操作时，会将Redis中对应的产品缓存数据删除。

  1. 分别发送更新请求和删除请求，然后再次查看Redis中的缓存数据：
    image-20240613215742944image-20240613221930757

  2. 可以发现Redis当中对应的缓存数据被删除了，符合我们的设计：
    image-20240613204329734

    5. 总结

在本文中，我们详细介绍了如何在Spring Boot项目中使用Spring Cache和Redis实现数据缓存，并简单讲解了使用

Cache Aside Pattern

来解决数据一致性问题，希望对大家学习有所帮助。如有问题，大家可以私信或者在评论区询问😊。

标签： spring spring boot redis
本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_73588491/article/details/139665936
版权归原作者 詩筠 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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