《高性能Redis组件》落地实现-第03节：高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩的核心设计与实现

作者：冰河
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• 本章难度：★★☆☆☆
• 本章重点：对高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩问题的功能进行设计和实现，从总体上理解高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩问题的核心设计思想，并从全局视角了解高性能Redis组件的设计和架构思想，并能够将其灵活应用到自身实际项目中。

大家好，我是冰河~~

高性能Redis组件的亮点不仅仅在于其性能非常高，更多的是其在设计和实现上彻底解决了缓存击穿、穿透和雪崩问题。

一、前言

经历过高并发、大流量生产场景的小伙伴都知道，缓存作为承接高并发、大流量场景下，读取数据的一种核心技术手段，被广泛应用于各大核心系统中。但是缓存的设计并不是想象中的那么简单，稍有不慎，就会引起缓存击穿、穿透，甚至雪崩的问题。

如何设计和实现一个通用的高性能缓存组件，对使用方屏蔽处理缓存击穿、穿透和雪崩问题的实现细节，业务只需要调用组件对外暴露的简单接口，即可在保证性能的同时，又能彻底解决缓存击穿、穿透和雪崩问题。所以，在此背景下，高性能Redis组件诞生了。

二、本节诉求

对高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩问题的功能进行设计和实现，从总体上理解高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩问题的核心设计思想，并从全局视角了解高性能Redis组件的设计和架构思想，并能够将其灵活应用到自身实际项目中。

三、核心类设计

注意：本节只给大家展示高性能Redis组件防缓存击穿、穿透和雪崩的的核心类实现关系，其他代码的实现细节，大家可以自行到本节对应的源码分支进行查看，这里不再赘述。

高性能Redis组件分布式锁的核心类设计如图3-1所示。

可以看到，高性能Redis组件中，最核心的实现就是DistributeCacheService接口和RedisDistributeCacheService实现类。

• DistributeCacheService接口：定义了各种缓存操作方法，并封装了获取Key、Value以及结果数据的默认方法。
• RedisDistributeCacheService类：组件最核心的实现，实现了DistributeCacheService接口，并在方法的实现中，彻底解决了缓存击穿、穿透和雪崩问题。

四、编码实现

本节只给大家展示高性能Redis组件解的核心类编码实现，其他代码的实现细节，大家可以自行到本节对应的源码分支进行查看，这里不再赘述。

（1）实现DistributeCacheService接口

定义了各种缓存操作方法，并封装了获取Key、Value以及结果数据的默认方法。

源码详见：io.binghe.redis.plugin.cache.DistributeCacheService。

public interface DistributeCacheService {

    /**
     * 永久缓存
     * @param key 缓存key
     * @param value 缓存value
     */
    void set(String key, Object value);

    /**
     * 将数据缓存一段时间
     * @param key 缓存key
     * @param value 缓存value
     * @param timeout 物理缓存的时长
     * @param unit 物理时间单位
     */
    void set(String key, Object value, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 设置缓存过期
     * @param key 缓存key
     * @param timeout 过期时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 设置过期时间是否成功
     */
    Boolean expire(String key, final long timeout, final TimeUnit unit);

    /**
     * 保存缓存时设置逻辑过期时间
     * @param key 缓存key
     * @param value 缓存value
     * @param timeout 缓存逻辑过期时长
     * @param unit 缓存逻辑时间单位
     */
    void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 获取缓存中的数据
     * @param key 缓存key
     * @return 缓存value
     */
    String get(String key);

    /**
     * 获取缓存数据
     * @param key 缓存的key
     * @param targetClass 目标对象Class
     * @param <T> 泛型
     * @return 返回的数据
     */
    <T> T getObject(String key, Class<T> targetClass);

    /**
     * 根据key列表批量获取value
     * @param keys key列表
     * @return value集合
     */
    List<String> multiGet(Collection<String> keys);

    /**
     * 根据正则表达式获取所有的key集合
     * @param pattern 正则表达式
     * @return key的集合
     */
    Set<String> keys(String pattern);

    /**
     * 删除指定的key
     * @param key key
     * @return 删除是否成功
     */
    Boolean delete(String key);
    /**
     * 带参数查询对象和简单类型数据，防止缓存穿透
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存的业务标识，
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     * @param <ID> 查询数据库参数泛型，也是参数泛型类型
     */
    <R,ID> R queryWithPassThrough(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询对象和简单类型数据，防止缓存穿透
     * @param keyPrefix key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> R queryWithPassThroughWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);
    /**
     * 带参数查询集合数据，防止缓存穿透
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存的业务标识，
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     * @param <ID> 查询数据库参数泛型，也是参数泛型类型
     */
    <R,ID> List<R> queryWithPassThroughList(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询集合数据，防止缓存穿透
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> List<R> queryWithPassThroughListWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 带参数查询数据，按照逻辑过期时间读取缓存数据，新开线程重建缓存，其他线程直接返回逻辑过期数据，不占用资源
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存业务标识，也是查询数据库的参数
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存逻辑过期时长
     * @param unit 缓存逻辑过期时间单位
     * @return 业务数据
     * @param <R> 结果数据泛型类型
     * @param <ID> 查询数据库泛型类型，也是参数泛型类型
     */
    <R, ID> R queryWithLogicalExpire(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询数据，按照逻辑过期时间读取缓存数据，新开线程重建缓存，其他线程直接返回逻辑过期数据，不占用资源
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> R queryWithLogicalExpireWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);
    /**
     * 带参数查询集合数据，按照逻辑过期时间读取缓存数据，新开线程重建缓存，其他线程直接返回逻辑过期数据，不占用资源
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存业务标识，也是查询数据库的参数
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存逻辑过期时长
     * @param unit 缓存逻辑过期时间单位
     * @return 业务数据
     * @param <R> 结果数据泛型类型
     * @param <ID> 查询数据库泛型类型，也是参数泛型类型
     */
    <R, ID> List<R> queryWithLogicalExpireList(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询集合数据，按照逻辑过期时间读取缓存数据，新开线程重建缓存，其他线程直接返回逻辑过期数据，不占用资源
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存的时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> List<R> queryWithLogicalExpireListWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 带参数查询数据，按照互斥锁方式获取缓存数据，同一时刻只有一个线程访问数据库，其他线程访问不到数据重试
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存业务标识，也是查询数据库的参数
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 业务数据
     * @param <R> 结果数据泛型类型
     * @param <ID> 查询数据库泛型类型，也是参数泛型类型
     */
    <R, ID> R queryWithMutex(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询数据，按照互斥锁方式获取缓存数据，同一时刻只有一个线程访问数据库，其他线程访问不到数据重试
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> R queryWithMutexWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<R> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);
    /**
     * 带参数查询数据，按照互斥锁方式获取缓存数据，同一时刻只有一个线程访问数据库，其他线程访问不到数据重试
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 缓存业务标识，也是查询数据库的参数
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 查询数据库的Function函数
     * @param timeout 缓存时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 业务数据
     * @param <R> 结果数据泛型类型
     * @param <ID> 查询数据库泛型类型，也是参数泛型类型
     */
    <R, ID> List<R> queryWithMutexList(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 不带参数查询数据，按照互斥锁方式获取缓存数据，同一时刻只有一个线程访问数据库，其他线程访问不到数据重试
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param type 缓存的实际对象类型
     * @param dbFallback 无参数查询数据库数据
     * @param timeout 缓存时长
     * @param unit 时间单位
     * @return 返回业务数据
     * @param <R> 结果泛型
     */
    <R> List<R> queryWithMutexListWithoutArgs(String keyPrefix, Class<R> type, Supplier<List<R>> dbFallback, Long timeout, TimeUnit unit);

    /**
     * 将对象类型的json字符串转换成泛型类型
     * @param obj 未知类型对象
     * @param type 泛型Class类型
     * @return 泛型对象
     * @param <R> 泛型
     */
    default <R> R getResult(Object obj, Class<R> type){
        if (obj == null){
            return null;
        }
        //简单类型
        if (TypeConversion.isSimpleType(obj)){
            return Convert.convert(type, obj);
        }
        return JSONUtil.toBean(JSONUtil.toJsonStr(obj), type);
    }

    /**
     * 将对象类型的json字符串转换成泛型类型的List集合
     * @param str json字符串
     * @param type 泛型Class类型
     * @return 泛型List集合
     * @param <R> 泛型
     */
    default <R> List<R> getResultList(String str, Class<R> type){
        if (StrUtil.isEmpty(str)){
            return null;
        }
        return JSONUtil.toList(JSONUtil.parseArray(str), type);
    }

    /**
     * 获取简单的key
     * @param key key
     * @return 返回key
     */
    default String getKey(String key){
        return getKey(key, null);
    }

    /**
     * 不确定参数类型的情况下，使用MD5计算参数的拼接到Redis中的唯一Key
     * @param keyPrefix 缓存key的前缀
     * @param id 泛型参数
     * @return 拼接好的缓存key
     * @param <ID> 参数泛型类型
     */
    default <ID> String getKey(String keyPrefix, ID id){
        if (id == null){
            return keyPrefix;
        }
        String key = "";
        //简单数据类型与简单字符串
        if (TypeConversion.isSimpleType(id)){
            key = StrUtil.toString(id);
        }else {
            key = MD5.create().digestHex(JSONUtil.toJsonStr(id));
        }
        if (StrUtil.isEmpty(key)){
            key = "";
        }
        return keyPrefix.concat(key);
    }

    /**
     * 获取要保存到缓存中的value字符串，可能是简单类型，也可能是对象类型，也可能是集合数组等
     * @param value 要保存的value值
     * @return 处理好的字符串
     */
    default String getValue(Object value){
        return TypeConversion.isSimpleType(value) ? String.valueOf(value) : JSONUtil.toJsonStr(value);
    }
}

（2）实现RedisDistributeCacheService类

RedisDistributeCacheService类是组件最核心的实现，实现了DistributeCacheService接口，并在方法的实现中，彻底解决了缓存击穿、穿透和雪崩问题。

源码详见：io.binghe.redis.plugin.cache.redis.RedisDistributeCacheService。

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