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微服务：多级缓存

2022-04-08 03:00:06  阅读：179  来源： 互联网

标签：缓存 服务 item -- 多级 lua local id


Caffeine JVM进程缓存

缓存在日常开发中启动至关重要的作用，由于是存储在内存中，数据的读取速度是非常快的，能大量减少对数据库的访问，减少数据库的压力。我们把缓存分为两类：

  • 分布式缓存，例如Redis：
    • 优点：存储容量更大、可靠性更好、可以在集群间共享
    • 缺点：访问缓存有网络开销
    • 场景：缓存数据量较大、可靠性要求较高、需要在集群间共享
  • 进程本地缓存，例如HashMap、GuavaCache：
    • 优点：读取本地内存，没有网络开销，速度更快
    • 缺点：存储容量有限、可靠性较低、无法共享
    • 场景：性能要求较高，缓存数据量较小

我们今天会利用Caffeine框架来实现JVM进程缓存。

Caffeine是一个基于Java8开发的，提供了近乎最佳命中率的高性能的本地缓存库。目前Spring内部的缓存使用的就是Caffeine。GitHub地址：https://github.com/ben-manes/caffeine

Caffeine的性能非常好，下图是官方给出的性能对比：

image-20210821081826399

可以看到Caffeine的性能遥遥领先！

入门案例

@Test
void testBasicOps() {
    // 创建缓存对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();

    // 存数据
    cache.put("gf", "迪丽热巴");

    // 取数据，不存在则返回null
    String gf = cache.getIfPresent("gf");
    System.out.println("gf = " + gf);

    // 取数据，不存在则去数据库查询
    String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {
        // 这里可以去数据库根据 key查询value
        return "柳岩";
    });


    System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
}

Caffine驱逐策略

  • 基于容量：设置缓存的数量上限

    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(1) // 设置缓存大小上限为 1
    .build();

  • 基于时间：设置缓存的有效时间

    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 
    .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 
    .build();

  • 基于引用：设置缓存为软引用或弱引用，利用GC来回收缓存数据。性能较差，不建议使用。

基于容量的测试

/*
 *基于大小设置驱逐策略：
 */
@Test
void testEvictByNum() throws InterruptedException {
    // 创建缓存对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
        // 设置缓存大小上限为 1
        .maximumSize(1)
        .build();
    // 存数据
    cache.put("gf1", "柳岩");
    cache.put("gf2", "范冰冰");
    cache.put("gf3", "迪丽热巴");
    // 延迟10ms，给清理线程一点时间
    Thread.sleep(10L);
    // 获取数据
    System.out.println("gf1: " + cache.getIfPresent("gf1"));//null
    System.out.println("gf2: " + cache.getIfPresent("gf2"));//null
    System.out.println("gf3: " + cache.getIfPresent("gf3"));//迪丽热巴
}

基于时间的测试

/*
 *基于时间设置驱逐策略：
 */
@Test
void testEvictByTime() throws InterruptedException {
    // 创建缓存对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(1)) // 设置缓存有效期为 10 秒
            .build();
    // 存数据
    cache.put("gf", "柳岩");
    // 获取数据
    System.out.println("gf: " + cache.getIfPresent("gf"));
    // 休眠一会儿
    Thread.sleep(1200L);
    System.out.println("gf: " + cache.getIfPresent("gf"));
}

案例

利用Caffeine实现下列需求：

•给根据id查询商品的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库

•给根据id查询商品库存的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库

•缓存初始大小为100

缓存上限为10000

//1.首先定义缓存
@Configuration
public class CashConf {
    @Bean
    public Cache<Long, Item> itemCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
    @Bean
    public Cache<Long, ItemStock> stockCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
}
//2.给查询业务的功能使用上缓存
@GetMapping("/{id}")
public Item findById(@PathVariable("id") Long id){
    //lambda表达式
    return itemCache.get(id,key->
                         itemService.query()
                         .ne("status", 3).eq("id", id)
                         .one()
                        );
}

@GetMapping("/stock/{id}")
public ItemStock findStockById(@PathVariable("id") Long id){
    return stockCache.get(id,key->stockService.getById(id));
}

认识LUA

Lua 是一种轻量小巧的脚本语言，用标准C语言编写并以源代码形式开放， 其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。官网：https://www.lua.org/

image-20210821091437975

Lua经常嵌入到C语言开发的程序中，例如游戏开发、游戏插件等。

Nginx本身也是C语言开发，因此也允许基于Lua做拓展。

helloworld

编辑一个文本

touch hello.lua
vi hello.lua

编写内容

print("hello world")

执行

lua hello.lua
#打印hello world

Lua的数据类型

Lua中支持的常见数据类型包括：

image-20210821091835406

另外，Lua提供了type()函数来判断一个变量的数据类型：

image-20210821091904332

声明变量

Lua声明变量的时候无需指定数据类型，而是用local来声明变量为局部变量：

-- 声明字符串，可以用单引号或双引号，
local str = 'hello'
-- 字符串拼接可以使用 ..
local str2 = 'hello' .. 'world'
-- 声明数字
local num = 21
-- 声明布尔类型
local flag = true

Lua中的table类型既可以作为数组，又可以作为Java中的map来使用。数组就是特殊的table，key是数组角标而已：

-- 声明数组 ，key为角标的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 声明table，类似java的map
local map =  {name='Jack', age=21}

Lua中的数组角标是从1开始，访问的时候与Java中类似：

-- 访问数组，lua数组的角标从1开始
print(arr[1])

Lua中的table可以用key来访问：

-- 访问table
print(map['name'])
print(map.name)

循环

对于table，我们可以利用for循环来遍历。不过数组和普通table遍历略有差异。

遍历数组：

-- 声明数组 key为索引的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 遍历数组
for index,value in ipairs(arr) do
    print(index, value) 
end

遍历普通table

-- 声明map，也就是table
local map = {name='Jack', age=21}
-- 遍历table
for key,value in pairs(map) do
   print(key, value) 
end

函数

定义函数的语法：

function 函数名( argument1, argument2..., argumentn)
    -- 函数体
    return 返回值
end

例如，定义一个函数，用来打印数组：

function printArr(arr)
    for index, value in ipairs(arr) do
        print(value)
    end
end

条件控制

类似Java的条件控制，例如if、else语法：

if(布尔表达式)
then
   --[ 布尔表达式为 true 时执行该语句块 --]
else
   --[ 布尔表达式为 false 时执行该语句块 --]
end

与java不同，布尔表达式中的逻辑运算是基于英文单词：

image-20210821092657918

案例

  • 需求：自定义一个函数，可以打印table，当参数为nil时，打印错误信息
function printArr (arr)
        if  not arr
        then
                print("错误")
                return nil
        end
        for index,value in ipairs(arr) do
                print(index,value)
        end
end

arr={1,2,3}

printArr(arr)
printArr(nil)

多级缓存

认识openResty

OpenResty® 是一个基于 Nginx的高性能 Web 平台，用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。具备下列特点：

  • 具备Nginx的完整功能

  • 基于Lua语言进行扩展，集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块

  • 允许使用Lua自定义业务逻辑、自定义库

我们希望达到的多级缓存架构如图：

yeVDlwtfMx

其中：

  • windows上的nginx用来做反向代理服务，将前端的查询商品的ajax请求代理到OpenResty集群

  • OpenResty集群用来编写多级缓存业务

反向代理流程

现在，商品详情页使用的是假的商品数据。不过在浏览器中，可以看到页面有发起ajax请求查询真实商品数据。

这个请求如下：

image-20210821093144700

请求地址是localhost，端口是80，就被windows上安装的Nginx服务给接收到了。然后代理给了OpenResty集群：

image-20210821094447709

我们需要在OpenResty中编写业务，查询商品数据并返回到浏览器。

但是这次，我们先在OpenResty接收请求，返回假的商品数据。

OpenResty监听请求

OpenResty的很多功能都依赖于其目录下的Lua库，需要在nginx.conf中指定依赖库的目录，并导入依赖：

1）添加对OpenResty的Lua模块的加载

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在其中的http下面，添加下面代码：

#lua 模块
lua_package_path "/usr/local/openresty/lualib/?.lua;;";
#c模块     
lua_package_cpath "/usr/local/openresty/lualib/?.so;;";

2）监听/api/item路径

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在nginx.conf的server下面，添加对/api/item这个路径的监听：

location  /api/item {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

这个监听，就类似于SpringMVC中的@GetMapping("/api/item")做路径映射。

而content_by_lua_file lua/item.lua则相当于调用item.lua这个文件，执行其中的业务，把结果返回给用户。相当于java中调用service。

编写item.lua

1）在/usr/loca/openresty/nginx目录创建文件夹：lua

image-20210821100755080

2）在/usr/loca/openresty/nginx/lua文件夹下，新建文件：item.lua

image-20210821100801756

3）编写item.lua，返回假数据

item.lua中，利用ngx.say()函数返回数据到Response中

ngx.say('{"id":10001,"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

4）重新加载配置

nginx -s reload

刷新商品页面：http://localhost/item.html?id=1001，即可看到效果：

image-20210821101217089

请求参数处理

OpenResty中提供了一些API用来获取不同类型的前端请求参数：

image-20210821101433528

在前端发起的ajax请求如图：

image-20210821101721649

可以看到商品id是以路径占位符方式传递的，因此可以利用正则表达式匹配的方式来获取ID

1）获取商品id

修改/usr/loca/openresty/nginx/nginx.conf文件中监听/api/item的代码，利用正则表达式获取ID：

location ~ /api/item/(\d+) {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

2）拼接ID并返回

修改/usr/loca/openresty/nginx/lua/item.lua文件，获取id并拼接到结果中返回：

-- 获取商品id
local id = ngx.var[1]
-- 拼接并返回
ngx.say('{"id":' .. id .. ',"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg.com/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

3）重新加载并测试

运行命令以重新加载OpenResty配置：

nginx -s reload

刷新页面可以看到结果中已经带上了ID：

image-20210821102235467

查询tomcat

拿到商品ID后，本应去缓存中查询商品信息，不过目前我们还未建立nginx、redis缓存。因此，这里我们先根据商品id去tomcat查询商品信息。我们实现如图部分：

image-20210821102610167

需要注意的是，我们的OpenResty是在虚拟机，Tomcat是在Windows电脑上。两者IP一定不要搞错了。

image-20210821102959829

案例：获取请求路径中的商品id信息，根据id向Tomcat查询商品信息

这里要修改item.lua，满足下面的需求：

  1. 获取请求参数中的id

  2. 根据id向Tomcat服务发送请求，查询商品信息

  3. 根据id向Tomcat服务发送请求，查询库存信息

  4. 组装商品信息、库存信息，序列化为JSON格式并返回

nginx提供了内部API用以发送http请求：

local resp = ngx.location.capture("/path",{
    method = ngx.HTTP_GET,   -- 请求方式
    args = {a=1,b=2},  -- get方式传参数
})

返回的响应内容包括：

  • resp.status：响应状态码
  • resp.header：响应头，是一个table
  • resp.body：响应体，就是响应数据

注意：这里的path是路径，并不包含IP和端口。这个请求会被nginx内部的server监听并处理。

但是我们希望这个请求发送到Tomcat服务器，所以还需要编写一个server来对这个路径做反向代理：

 location /path {
     # 这里是windows电脑的ip和Java服务端口，需要确保windows防火墙处于关闭状态
     proxy_pass http://192.168.150.1:8081; 
 }

原理如图：

image-20210821104149061

封装http工具

下面，我们封装一个发送Http请求的工具，基于ngx.location.capture来实现查询tomcat。

1）添加反向代理，到windows的Java服务

因为item-service中的接口都是/item开头，所以我们监听/item路径，代理到windows上的tomcat服务。

修改 /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，添加一个location：

location /item {
    proxy_pass http://192.168.150.1:8081;
}

以后，只要我们调用ngx.location.capture("/item")，就一定能发送请求到windows的tomcat服务。

2）封装工具类

之前我们说过，OpenResty启动时会加载以下两个目录中的工具文件：

image-20210821104857413

所以，自定义的http工具也需要放到这个目录下。

在/usr/local/openresty/lualib目录下，新建一个common.lua文件：

vi /usr/local/openresty/lualib/common.lua

内容如下:

-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
    local resp = ngx.location.capture(path,{
        method = ngx.HTTP_GET,
        args = params,
    })
    if not resp then
        -- 记录错误信息，返回404
        ngx.log(ngx.ERR, "http请求查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
        ngx.exit(404)
    end
    return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http
}  
return _M

这个工具将read_http函数封装到_M这个table类型的变量中，并且返回，这类似于导出。

使用的时候，可以利用require('common')来导入该函数库，这里的common是函数库的文件名。

CJSON工具类

OpenResty提供了一个cjson的模块用来处理JSON的序列化和反序列化。

官方地址： https://github.com/openresty/lua-cjson/

1）引入cjson模块：

local cjson = require "cjson"

2）序列化：

local obj = {
    name = 'jack',
    age = 21
}
-- 把 table 序列化为 json
local json = cjson.encode(obj)

3）反序列化：

local json = '{"name": "jack", "age": 21}'
-- 反序列化 json为 table
local obj = cjson.decode(json);
print(obj.name)

案例实现

-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
--导入cjson
local cjson = require('cjson')
local id =ngx.var[1]

--查询商品信息
local itemJson = read_http("/item/" .. id,nil)
--查询库存信息
local stockJson = read_http("/item/stock/" .. id,nil)
--json转化为lua的table,反序列化
local item = cjson.decode(itemJson)
local stock = cjson.decode(stockJson)
--组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold
--序列化后返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))

配置tomcat集群及nginx负载均衡

刚才的代码中，我们的tomcat是单机部署。而实际开发中，tomcat一定是集群模式：

image-20210821111023255

因此，OpenResty需要对tomcat集群做负载均衡。

而默认的负载均衡规则是轮询模式，当我们查询/item/10001时：

  • 第一次会访问8081端口的tomcat服务，在该服务内部就形成了JVM进程缓存
  • 第二次会访问8082端口的tomcat服务，该服务内部没有JVM缓存（因为JVM缓存无法共享），会查询数据库
  • ...

你看，因为轮询的原因，第一次查询8081形成的JVM缓存并未生效，直到下一次再次访问到8081时才可以生效，缓存命中率太低了。

怎么办？

如果能让同一个商品，每次查询时都访问同一个tomcat服务，那么JVM缓存就一定能生效了。

也就是说，我们需要根据商品id做负载均衡，而不是轮询。

1）原理

nginx提供了基于请求路径做负载均衡的算法：

nginx根据请求路径做hash运算，把得到的数值对tomcat服务的数量取余，余数是几，就访问第几个服务，实现负载均衡。

例如：

  • 我们的请求路径是 /item/10001
  • tomcat总数为2台（8081、8082）
  • 对请求路径/item/1001做hash运算求余的结果为1
  • 则访问第一个tomcat服务，也就是8081

只要id不变，每次hash运算结果也不会变，那就可以保证同一个商品，一直访问同一个tomcat服务，确保JVM缓存生效。

2）实现

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，实现基于ID做负载均衡。

首先，定义tomcat集群，并设置基于路径做负载均衡：

upstream tomcat-cluster {
    hash $request_uri;
    server 192.168.150.1:8081;
    server 192.168.150.1:8082;
}

然后，修改对tomcat服务的反向代理，目标指向tomcat集群：

location /item {
    proxy_pass http://tomcat-cluster;
}

重新加载OpenResty

nginx -s reload

3）测试

启动两台tomcat服务：

image-20210821112420464

同时启动：

image-20210821112444482

清空日志后，再次访问页面，可以看到不同id的商品，访问到了不同的tomcat服务：

image-20210821112559965

image-20210821112637430

标签：缓存,服务,item,--,多级,lua,local,id
来源： https://www.cnblogs.com/Boerk/p/16115131.html

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