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多级缓存入门

news 2025/6/8 20:32:37

文章目录

什么是多级缓存
JVM进程缓存
- 环境准备
- - 安装MySQL
  - 导入Demo工程
  - 导入商品查询页面
- 初识Caffeine
Lua语法
- 初识Lua
- 第一个lua程序
- 变量和循环
- - Lua的数据类型
  - 声明变量
  - 循环
- 条件控制、函数
- - 函数
  - 条件控制
多级缓存
- 安装OpenResty
- OpenResty快速入门
- - 反向代理流程
  - OpenResty监听请求
  - 编写item.lua
- 请求参数处理
- 查询Tomcat
- - 发送http请求的API
  - 封装http工具
  - CJSON工具类
  - 实现Tomcat查询

什么是多级缓存

传统的缓存策略一般是请求到达Tomcat后，先查询Redis，如果未命中则查询数据库，如图：
在这里插入图片描述
存在下面的问题：

请求要经过Tomcat处理，Tomcat的性能成为整个系统的瓶颈
Redis缓存失效时，会对数据库产生冲击

多级缓存就是充分利用请求处理的每个环节，分别添加缓存，减轻Tomcat压力，提升服务性能：

浏览器访问静态资源时，优先读取浏览器本地缓存
访问非静态资源（ajax查询数据）时，访问服务端
请求到达Nginx后，优先读取Nginx本地缓存
如果Nginx本地缓存未命中，则去直接查询Redis（不经过Tomcat）
如果Redis查询未命中，则查询Tomcat
请求进入Tomcat后，优先查询JVM进程缓存
如果JVM进程缓存未命中，则查询数据库

在多级缓存架构中，Nginx内部需要编写本地缓存查询、Redis查询、Tomcat查询的业务逻辑，因此这样的nginx服务不再是一个 反向代理服务器 ，而是一个编写 业务的Web服务器了

因此这样的业务Nginx服务也需要搭建集群来提高并发，再有专门的nginx服务来做反向代理，如图：
在这里插入图片描述

另外，我们的Tomcat服务将来也会部署为集群模式：
在这里插入图片描述

可见，多级缓存的关键有两个：

一个是在nginx中编写业务，实现nginx本地缓存、Redis、Tomcat的查询
另一个就是在Tomcat中实现JVM进程缓存

其中Nginx编程则会用到OpenResty框架结合Lua这样的语言

JVM进程缓存

环境准备

课前资料

安装MySQL

后期做数据同步需要用到MySQL的主从功能，所以在虚拟机中，利用Docker来运行一个MySQL容器

为了方便后期配置MySQL，我们先准备两个目录，用于挂载容器的数据和配置文件目录：
```
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建文件夹
mkdir mysql
# 进入mysql目录
cd mysql
```

进入mysql目录后，执行下面的Docker命令：

docker run \-p 3306:3306 \--name mysql \-v $PWD/conf:/etc/mysql/conf.d \-v $PWD/logs:/logs \-v $PWD/data:/var/lib/mysql \-e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123 \--privileged \-d \mysql:5.7.25

在/tmp/mysql/conf目录添加一个my.cnf文件，作为mysql的配置文件：

# 创建文件
touch /tmp/mysql/conf/my.cnf#文件内容如下
[mysqld]
skip-name-resolve	#跳过域名简析
character_set_server=utf8 #字符编码
datadir=/var/lib/mysql	#指定数据库的目录
server-id=1000		#数据库的服务ID

重启容器： docker restart mysql
接下来，利用Navicat客户端连接MySQL，然后导入课前资料提供的sql文件：

其中包含两张表：

tb_item：商品表，包含商品的基本信息
tb_item_stock：商品库存表，包含商品的库存信息

之所以将库存分离出来，是因为库存是更新比较频繁的信息，写操作较多。而其他信息修改的频率非常低

导入Demo工程

下面导入课前资料提供的工程：
在这里插入图片描述
项目结构如图所示：

其中的业务包括：

分页查询商品
新增商品
修改商品
修改库存
删除商品
根据id查询商品
根据id查询库存

业务全部使用mybatis-plus来实现，如有需要请自行修改业务逻辑

导入商品查询页面

商品查询是购物页面，与商品管理的页面是分离的
在这里插入图片描述
我们需要准备一个反向代理的nginx服务器，如上图红框所示，将静态的商品页面放到nginx目录中
页面需要的数据通过ajax向服务端（nginx业务集群）查询

我们找到课前资料的nginx目录：将其拷贝到一个非中文目录下，运行这个nginx服务
在这里插入图片描述
运行命令：start nginx.exe
然后访问 http://localhost/item.html?id=10001即可：

现在，页面是假数据展示的。我们需要向服务器发送ajax请求，查询商品数据

打开控制台，可以看到页面有发起ajax查询数据：
在这里插入图片描述
而这个请求地址同样是80端口，所以被当前的nginx反向代理了

查看nginx的conf目录下的nginx.conf文件：
在这里插入图片描述
文件内容：

#user  nobody;
worker_processes  1;events {worker_connections  1024;
}http {include       mime.types;default_type  application/octet-stream;sendfile        on;#tcp_nopush     on;keepalive_timeout  65;# nginx的业务集群，nginx本地缓存、redis缓存、tomcat查询upstream nginx-cluster{server 192.168.1.10:8081;}server {listen       80;server_name  localhost;location /api {proxy_pass http://nginx-cluster;		# 监听/api路径，方向代理到nginx-cluster集群}location / {root   html;index  index.html index.htm;}error_page   500 502 503 504  /50x.html;location = /50x.html {root   html;}}
}

初识Caffeine

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

本地进程缓存
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
在这里插入图片描述
Maven依赖：

<dependency><groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId><artifactId>caffeine</artifactId>
</dependency>

缓存使用的基本API：

@Test
void testBasicOps() {// 构建cache对象Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();// 存数据cache.put("gf", "迪丽热巴");// 取数据String gf = cache.getIfPresent("gf");System.out.println("gf = " + gf);// 取数据，包含两个参数：// 参数一：缓存的key// 参数二：Lambda表达式，表达式参数就是缓存的key，方法体是查询数据库的逻辑// 优先根据key查询JVM缓存，如果未命中，则执行参数二的Lambda表达式String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {// 根据key去数据库查询数据return "柳岩";});System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
}

Caffeine既然是缓存的一种，肯定需要有缓存的清除策略，不然的话内存总会有耗尽的时候

注意：在默认情况下，当一个缓存元素过期的时候，Caffeine不会自动立即将其清理和驱逐。而是在一次读或写操作后，或者在空闲时间完成对失效数据的驱

Caffeine提供了三种缓存驱逐策略：

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().expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 		 // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 .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

Lua语法

初识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
在这里插入图片描述

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

第一个lua程序

CentOS7默认已经安装了Lua语言环境，所以可以直接运行Lua代码

在Linux虚拟机的任意目录下，新建一个hello.lua文件
添加下面的内容
```
print("Hello World!")  
```
运行

变量和循环

学习任何语言必然离不开变量，而变量的声明必须先知道数据的类型

Lua的数据类型

数据类型	描述
nil	表示一个无效值（在条件表达式中相当于false）
boolean	包含两个值：false 和 true
number	表示双精度类型的浮点数
string	字符串由一对双引号或单引号来表示
function	由 C 或 Lua 编写的函数
table	Lua 中的表（table）其实是一个“关联数组”（associative arrays），数组的索引可以是数字、字符串或表类型。在 Lua 里，table 的创建是通过“构造表达式”来完成，最简单构造表达式是{ }，用来创建一个空表

另外，Lua提供了type()函数来判断一个变量的数据类型：
在这里插入图片描述

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) doprint(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) doprint(key, value) 
end

条件控制、函数

Lua中的条件控制和函数声明与Java类似

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) doprint(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：

操作符	描述
and	逻辑与操作符
or	逻辑或操作符
not	逻辑非操作符

多级缓存

多级缓存的实现离不开Nginx编程，而Nginx编程又离不开OpenResty

安装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

在这里插入图片描述

首先要安装OpenResty的依赖开发库，执行命令：yum install -y pcre-devel openssl-devel gcc --skip-broken
安装OpenResty仓库
- 你可以在你的 CentOS 系统中添加 openresty 仓库，这样就可以便于未来安装或更新我们的软件包（通过 yum check-update 命令）。运行下面的命令就可以添加我们的仓库：yum-config-manager --add-repo https://openresty.org/package/centos/openresty.repo
- 如果提示说命令不存在，则运行：yum install -y yum-utils
- 然后再重复上面的命令
安装OpenResty：yum install -y openresty
安装opm工具： yum install -y openresty-opm
opm是OpenResty的一个管理工具，可以帮助我们安装一个第三方的Lua模块
目录结构
默认情况下，OpenResty安装的目录是：/usr/local/openresty

看到里面的nginx目录了吗，OpenResty就是在Nginx基础上集成了一些Lua模块
配置nginx的环境变量
- 打开配置文件：
```
vi /etc/profile
```
- 在最下面加入两行
```
export NGINX_HOME=/usr/local/openresty/nginx
export PATH=${NGINX_HOME}/sbin:$PATH
```
  NGINX_HOME：后面是OpenResty安装目录下的nginx的目录
- 然后让配置生效：source /etc/profile

启动：
OpenResty底层是基于Nginx的，查看OpenResty目录的nginx目录，结构与windows中安装的nginx基本一致：
在这里插入图片描述
所以运行方式与nginx基本一致：

# 启动nginx
nginx
# 重新加载配置
nginx -s reload
# 停止
nginx -s stop

nginx的默认配置文件注释太多，影响后续我们的编辑，这里将nginx.conf中的注释部分删除，保留有效部分
修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，内容如下

#user  nobody;
worker_processes  1;
error_log  logs/error.log;events {worker_connections  1024;
}http {include       mime.types;default_type  application/octet-stream;sendfile        on;keepalive_timeout  65;server {listen       8081;server_name  localhost;location / {root   html;index  index.html index.htm;}error_page   500 502 503 504  /50x.html;location = /50x.html {root   html;}}
}

在Linux的控制台输入命令以启动nginx：nginx

OpenResty快速入门

我们希望达到的多级缓存架构如图：
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述
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：
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

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;;";

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

在/usr/loca/openresty/nginx目录创建文件夹：mkdir lua
在/usr/loca/openresty/nginx/lua文件夹下，新建文件：touch lua/item.lua

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}')

重新加载配置：nginx -s reload

请求参数处理

OpenResty提供了各种API用来获取不同类型的请求参数：
在这里插入图片描述

获取参数并返回

在前端发起的ajax请求如图：

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

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;
}

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}')

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：

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：
在这里插入图片描述

发送http请求的API

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://192.168.1.102:8081; 
}

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

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 /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://192.168.1.102:8081; 
}
```
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
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：

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404ngx.log(ngx.ERR, "http请求查询失败, path: ", path , ", args: ", args)ngx.exit(404)endreturn 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

实现商品查询
最后，我们修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，利用刚刚封装的函数库实现对tomcat的查询：

-- 引入自定义common工具模块，返回值是common中返回的 _M
local common = require("common")
-- 从 common中获取read_http这个函数
local read_http = common.read_http
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)

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

引入cjson模块：local cjson = require "cjson"

序列化：

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

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)

实现Tomcat查询

-- 导入common函数库  
local common = require('common')  
local read_http = common.read_http  
local cjson = require('cjson')  -- 获取路径参数  
local id = ngx.var[1]  -- 根据id查询商品  
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)  -- 根据id查询商品库存  
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)  -- JSON转化为lua的table  
local item = cjson.decode(itemJSON)  
local stock = cjson.decode(itemStockJSON)  -- 组合数据  
item.stock = stock.stock  
item.sold = stock.sold  -- 返回JSON数据
ngx.say(cjson.encode(item))