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面試官:如何設(shè)計和實現(xiàn)一個帶過期時間的本地緩存?

開發(fā) 前端
今天我們來基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor來實現(xiàn)一個線程安全的本地緩存:LocalCache。在LocalCache中支持永久緩存與臨時緩存,永久緩存的數(shù)據(jù)一直有效,臨時緩存的數(shù)據(jù)在指定時間到期之后會自動從緩存中移出。

在日常開發(fā)中有很多這樣的場景:有一些業(yè)務系統(tǒng)的配置信息,數(shù)據(jù)量不大,修改頻率不高,但是訪問很頻繁。如果每次程序都從數(shù)據(jù)庫或集中式緩存中獲取,受限于硬盤 I/O性能、遠程網(wǎng)絡(luò)訪問限制等,程序的執(zhí)行效率不高。在這樣的業(yè)務場景中,我們可以通過本地緩存來提升數(shù)據(jù)訪問的效率。

今天我們來基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor來實現(xiàn)一個線程安全的本地緩存:LocalCache。在LocalCache中支持永久緩存與臨時緩存,永久緩存的數(shù)據(jù)一直有效,臨時緩存的數(shù)據(jù)在指定時間到期之后會自動從緩存中移出。

LocalCache提供了數(shù)據(jù)安全的增、刪、改、查功能,具體方法如下所示:

方法名稱

方法說明

put(String key , V value)

向緩存中插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)永久有效

put(String key , V value , int seconds)

向緩存中插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定的時間生效,時間到期會從緩存中移出

containKey(String key)

判斷緩存中是否包含對應的key

get(String key)

根據(jù)key從緩存中獲取數(shù)據(jù)

remove(String key)

移出緩存中對應key的數(shù)據(jù)

shutdownNow()

關(guān)閉緩存池

1. 設(shè)計原理

LocalCache主要由3個部分組成:數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)超時時間、數(shù)據(jù)清理任務。數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)超時時間都采用ConcurrentHashMap來存儲數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)超時時間中Key為數(shù)據(jù)存儲的鍵,value是數(shù)據(jù)的時間戳。數(shù)據(jù)清理任務采用ScheduledThreadPoolExecutor實現(xiàn)任務調(diào)度,默認的任務線程數(shù)為1,這樣可以避免多線程帶來的并發(fā)修改問題,同時線程都是內(nèi)存操作,這樣單線程同樣具備高性能。

本地緩存的設(shè)計如下圖所示:

圖片圖片

每次項緩存中插入數(shù)據(jù)時,LocalCache首先會將數(shù)據(jù)插入到ConcurrentHashMap中。然后判斷有沒有設(shè)置超時時間,如果有超時時間,LocalCache會將失效時間插入到ConcurrentHashMap中,并創(chuàng)建數(shù)據(jù)清理任務,之后任務提交到ScheduledThreadPoolExecutor線程池中。

每次從緩存中查詢數(shù)據(jù),LocalCache會直接從ConcurrentHashMap中讀取數(shù)據(jù)。

定時任務線程池會按照超時時間來觸發(fā)數(shù)據(jù)清理任務,數(shù)據(jù)清理任務會從數(shù)據(jù)時長的緩存池中獲取Key對應的時間,判斷當前Key對應的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到期了。如果數(shù)據(jù)已經(jīng)到期了,LocalCache會調(diào)用remove方法將數(shù)據(jù)從緩存池中移除。

2. 實現(xiàn)方案

LocalCache作為本地緩存的接口,定義了數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)查詢的相關(guān)接口方法。DefaultLocalCache 定義了兩個ConcurrentHashMap變量:dataMap和timeOutMap。dataMap用來緩存數(shù)據(jù)信息,timeOutMap用來存儲數(shù)據(jù)失效的時間戳,同時還定義了數(shù)據(jù)清理任務ClearTask,ClearTask負責將過期的數(shù)據(jù)從dataMap中移除。UML圖如下所示:

圖片圖片

3. 代碼展示

3.1 接口定義

public interface LocalCache<V> {
    /**
     * 插入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)永久有效
     */
    boolean put(String key, V value);

    /**
     * 插入數(shù)據(jù),在指定時間內(nèi)生效
     */
    boolean put(String key, V value, int seconds);

    /**
     * 是否包含指定的key
     */
    boolean containKey(String key);

    /**
     * 獲取指定Key的值
     */
    V get(String key);

    /**
     * 從緩存中移除key對應的數(shù)據(jù)
     */
    void remove(String key);

    void shutdownNow();
}

在接口LocalCache中定義了兩個數(shù)據(jù)插入的put接口:一個沒有到期時間,另一個有到期時間。沒有到期時間表示數(shù)據(jù)永久有效,有到期時間的數(shù)據(jù)會在到期后從緩存中移除。

接口實現(xiàn)

在接口實現(xiàn)DefaultLocalCache內(nèi)部定義了三個常量:緩存的默認大小DEFAULT_CAPACITY、最大容量MAX_CAPACITY、定時線程池的大小DEFAULT_THREAD_SIZE。核心代碼如下:

public class DefaultLocalCache<V> implements LocalCache<V> {
    // 默認容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 1024;
    private static final int MAX_CAPACITY = 100000;

    private static final int DEFAULT_THREAD_SIZE = 1;

    private final int maxSize;

    //數(shù)據(jù)map
    private volatile ConcurrentHashMap<String,V> dataMap;
    //過期時間
    private final ConcurrentHashMap<String,Long> timeOutMap;

    //定時任務
    private final ScheduledExecutorService executorService;

    public DefaultLocalCache() {
        maxSize = MAX_CAPACITY;
        dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
    }

    public DefaultLocalCache(int size) {
        maxSize = size;
        dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
        executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
    }

    @Override
    public boolean put(String key, V value) {
        //檢查容量
        if(checkCapacity()){
            dataMap.put(key,value);
            return true;
        }
        return false;
    }



    @Override
    public boolean put(String key, V value, int seconds) {
        if(checkCapacity()){
            dataMap.put(key,value);
            if(seconds >= 0){
                timeOutMap.put(key,getTimeOut(seconds));
                ClearTask task = new ClearTask(key);
                executorService.schedule(task, seconds, TimeUnit.SECONDS);
            }
        }
        return false;
    }

 ......

    class ClearTask implements Runnable{
        private String key;

        public ClearTask(String key){
            this.key = key;
        }
        @Override
        public void run() {
            //判斷緩存中是否有key
            if(timeOutMap.contains(key)){
                //獲取失效時間
                Long expire = timeOutMap.get(key);
                //如果失效時間大于0,并且比當前時間小,則刪除緩存
                if(expire > 0){
                    long now = System.currentTimeMillis();
                    if(now >= expire){
                        remove(key);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

在LocalCache的默認實現(xiàn)DefaultLocalCache中,基于ConcurrentHashMap與ScheduledThreadPoolExecutor結(jié)合使用,使得LocalCache支持永久緩存與臨時緩存兩種能力。

責任編輯:武曉燕 來源: JAVA日知錄
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