POCO C++库学习和分析 -- Cache
POCO C++库学习和分析 -- Cache
1. Cache概述
在STL::map或者STL::set中，容器的尺寸是没有上限的，数目可以不断的扩充。并且在STL的容器中，元素是不会自动过期的，除非显式的被删除。Poco的Cache可以被看成是STL中容器的一个扩充，容器中的元素会自动过期(即失效)。在Poco实现的Cache框架中，基础的过期策略有两种。一种是LRU(Last Recent Used)，另外一种是基于时间的过期(Time based expiration)。在上述两种过期策略之上，还提供了两者之间的混合。 下面是相关的类：
1. LRUCache: 最近使用Cache。在内部维护一个Cache的最大容量M，始终只保存M个元素于Cache内部，当第M+1元素插入Cache中时，最先被放入Cache中的元素将失效。
2. ExpireCache: 时间过期Cache。在内部统一管理失效时间T，当元素插入Cache后，超过时间T，则删除。
3. AccessExpireCache: 时间过期Cache。同ExpireCache不同的是，当元素被访问后，重新开始计算该元素的超时时间，而不是只从元素插入时开始计时。
4. UniqueExpireCache: 时间过期Cache。同ExpireCache不同的是，每一个元素都有自己单独的失效时间。
5. UniqueAccessExpireCache：时间过期Cache。同AccessExpireCache不同的是，每一个元素都有自己单独的失效时间。
6. ExpireLRUCache：时间过期和LRU策略的混合体。当时间过期和LRU任一过期条件被触发时，容器中的元素失效。
7. AccessExpireLRUCache：时间过期和LRU策略的混合体。同ExpireLRUCache相比，当元素被访问后，重新开始计算该元素的超时时间，而不是只从元素插入时开始计时。
8. UniqueExpireLRUCache：时间过期和LRU策略的混合体。同ExpireLRUCache相比，每一个元素都有自己单独的失效时间。
9. UniqueAccessExpireLRUCache：时间过期和LRU策略的混合体。同UniqueExpireLRUCache相比，当元素被访问后，重新开始计算该元素的超时时间，而不是只从元素插入时开始计时。
2. Cache的内部结构
2.1 Cache类
下面是Poco中Cache的类图：
从类图中我们可以看到所有的Cache都有一个对应的strategy类。事实上strategy类负责快速搜索Cache中的过期元素。Cache和strategy采用了Poco中的同步事件机制(POCO C++库学习和分析 -- 通知和事件 （四） )。
让我们来看AbstractCache的定义：
template <class TKey, class TValue, class TStrategy, class TMutex = FastMutex, class TEventMutex = FastMutex>
class AbstractCache
/// An AbstractCache is the interface of all caches.
{
public:
FIFOEvent<const KeyValueArgs<TKey, TValue >, TEventMutex > Add;
FIFOEvent<const KeyValueArgs<TKey, TValue >, TEventMutex > Update;
FIFOEvent<const TKey, TEventMutex> Remove;
FIFOEvent<const TKey, TEventMutex> Get;
FIFOEvent<const EventArgs, TEventMutex> Clear;
typedef std::map<TKey, SharedPtr<TValue > > DataHolder;
typedef typename DataHolder::iterator Iterator;
typedef typename DataHolder::const_iterator ConstIterator;
typedef std::set<TKey> KeySet;
AbstractCache()
{
initialize();
}
AbstractCache(const TStrategy& strat): _strategy(strat)
{
initialize();
}
virtual ~AbstractCache()
{
uninitialize();
}
// ...........
protected:
mutable FIFOEvent<ValidArgs<TKey> > IsValid;
mutable FIFOEvent<KeySet> Replace;
void initialize()
/// Sets up event registration.
{
Add += Delegate<TStrategy, const KeyValueArgs<TKey, TValue> >(&_strategy, &TStrategy::onAdd);
Update += Delegate<TStrategy, const KeyValueArgs<TKey, TValue> >(&_strategy, &TStrategy::onUpdate);
Remove += Delegate<TStrategy, const TKey>(&_strategy, &TStrategy::onRemove);
Get += Delegate<TStrategy, const TKey>(&_strategy, &TStrategy::onGet);
Clear += Delegate<TStrategy, const EventArgs>(&_strategy, &TStrategy::onClear);
IsValid += Delegate<TStrategy, ValidArgs<TKey> >(&_strategy, &TStrategy::onIsValid);
Replace += Delegate<TStrategy, KeySet>(&_strategy, &TStrategy::onReplace);
}
void uninitialize()
/// Reverts event registration.
{
Add -= Delegate<TStrategy, const KeyValueArgs<TKey, TValue> >(&_strategy, &TStrategy::onAdd );
Update -= Delegate<TStrategy, const KeyValueArgs<TKey, TValue> >(&_strategy, &TStrategy::onUpdate);
Remove -= Delegate<TStrategy, const TKey>(&_strategy, &TStrategy::onRemove);
Get -= Delegate<TStrategy, const TKey>(&_strategy, &TStrategy::onGet);
Clear -= Delegate<TStrategy, const EventArgs>(&_strategy, &TStrategy::onClear);
IsValid -= Delegate<TStrategy, ValidArgs<TKey> >(&_strategy, &TStrategy::onIsValid);
Replace -= Delegate<TStrategy, KeySet>(&_strategy, &TStrategy::onReplace);
}
void doAdd(const TKey& key, const TValue& val)
/// Adds the key value pair to the cache.
/// If for the key already an entry exists, it will be overwritten.
{
Iterator it = _data.find(key);
doRemove(it);
KeyValueArgs<TKey, TValue> args(key, val);
Add.notify(this, args);
_data.insert(std::make_pair(key, SharedPtr<TValue>(new TValue(val))));
doReplace();
}
void doAdd(const TKey& key, SharedPtr<TValue>& val)
/// Adds the key value pair to the cache.
/// If for the key already an entry exists, it will be overwritten.
{
Iterator it = _data.find(key);
doRemove(it);
KeyValueArgs<TKey, TValue> args(key, *val);
Add.notify(this, args);
_data.insert(std::make_pair(key, val));
doReplace();
}
void doUpdate(const TKey& key, const TValue& val)
/// Adds the key value pair to the cache.
/// If for the key already an entry exists, it will be overwritten.
{
KeyValueArgs<TKey, TValue> args(key, val);
Iterator it = _data.find(key);
if (it == _data.end())
{
Add.notify(this, args);
_data.insert(std::make_pair(key, SharedPtr<TValue>(new TValue(val))));
}
else
{
Update.notify(this, args);
it->second = SharedPtr<TValue>(new TValue(val));
}
doReplace();
}
void doUpdate(const TKey& key, SharedPtr<TValue>& val)
/// Adds the key value pair to the cache.
/// If for the key already an entry exists, it will be overwritten.
{
KeyValueArgs<TKey, TValue> args(key, *val);
Iterator it = _data.find(key);
if (it == _data.end())
{
Add.notify(this, args);
_data.insert(std::make_pair(key, val));
}
else
{
Update.notify(this, args);
it->second = val;
}
doReplace();
}
void doRemove(Iterator it)
/// Removes an entry from the cache. If the entry is not found
/// the remove is ignored.
{
if (it != _data.end())
{
Remove.notify(this, it->first);
_data.erase(it);
}
}
bool doHas(const TKey& key) const
/// Returns true if the cache contains a value for the key
{
// ask the strategy if the key is valid
ConstIterator it = _data.find(key);
bool result = false;
if (it != _data.end())
{
ValidArgs<TKey> args(key);
IsValid.notify(this, args);
result = args.isValid();
}
return result;
}
SharedPtr<TValue> doGet(const TKey& key)
/// Returns a SharedPtr of the cache entry, returns 0 if for
/// the key no value was found
{
Iterator it = _data.find(key);
SharedPtr<TValue> result;
if (it != _data.end())
{
// inform all strategies that a read-access to an element happens
Get.notify(this, key);
// ask all strategies if the key is valid
ValidArgs<TKey> args(key);
IsValid.notify(this, args);
if (!args.isValid())
{
doRemove(it);
}
else
{
result = it->second;
}
}
return result;
}
void doClear()
{
static EventArgs _emptyArgs;
Clear.notify(this, _emptyArgs);
_data.clear();
}
void doReplace()
{
std::set<TKey> delMe;
Replace.notify(this, delMe);
// delMe contains the to be removed elements
typename std::set<TKey>::const_iterator it = delMe.begin();
typename std::set<TKey>::const_iterator endIt = delMe.end();
for (; it != endIt; ++it)
{
Iterator itH = _data.find(*it);
doRemove(itH);
}
}
TStrategy _strategy;
mutable DataHolder _data;
mutable TMutex _mutex;
private:
// ....
};从上面的定义中，可以看到AbstractCache是一个value的容器，采用map保存数据，
mutable std::map<TKey, SharedPtr<TValue > > _data;另外AbstractCache中还定义了一个TStrategy对象，
TStrategy _strategy;并且在AbstractCache的initialize()函数中，把Cache的一些函数操作委托给TStrategy对象。其函数操作接口为：
1. Add : 向容器中添加元素
2. Update : 更新容器中元素
3. Remove : 删除容器中元素
4. Get : 获取容器中元素
5. Clear : 清除容器中所有元素
6. IsValid: 容器中是否某元素
7. Replace: 按照策略从strategy中获取过期元素，并从Cache和Strategy中同时删除。将触发一系列的Remove函数。
这几个操作中最复杂的是Add操作，其中包括了Remove、Insert和Replace操作。
void doAdd(const TKey& key, SharedPtr<TValue>& val)
/// Adds the key value pair to the cache.
/// If for the key already an entry exists, it will be overwritten.
{
Iterator it = _data.find(key);
doRemove(it);
KeyValueArgs<TKey, TValue> args(key, *val);
Add.notify(this, args);
_data.insert(std::make_pair(key, val));
doReplace();
}而Replace操作可被Add、Update、Get操作触发。这是因为Cache并不是一个主动对象(POCO C++库学习和分析 -- 线程 （四）)，不会自动的把元素标志为失效，需要外界也就是调用方触发进行。
在Cache类中另外一个值得注意的地方是，保存的是TValue的SharedPtr。之所以这么设计，是为了线程安全，由于replace操作可能被多个线程调用，所以解决的方法，要么是返回TValue的SharedPtr，要么是返回TValue的拷贝。同拷贝方法相比，SharedPtr的方法要更加廉价。
2.2 Strategy类
Strategy类完成了对_data中保存的<key-value>pair中key的排序工作。每个Strategy中都存在一个key的容器，其中LRUStrategy中是std::list<TKey>，ExpireStrategy、UniqueAccessExpireStrategy、UniqueExpireStrategy中是std::multimap<Timestamp, TKey>。
对于LRU策略，这么设计我是可以理解的。每次访问都会使key被重置于list的最前端。为了实现对list快速访问，增加一个std::map<TKey, Iterator>容器，每次对list容器进行插入操作时，把插入位的itorator保存入map中，这样对于list的访问效率可以从O(n)变成O(log(n)),因为不需要遍历了。下面是相关的代码：
void onReplace(const void*, std::set<TKey>& elemsToRemove)
{
// Note: replace only informs the cache which elements
// it would like to remove!
// it does not remove them on its own!
std::size_t curSize = _keyIndex.size();
if (curSize < _size)
{
return;
}
std::size_t diff = curSize - _size;
Iterator it = --_keys.end(); //--keys can never be invoked on an empty list due to the minSize==1 requirement of LRU
std::size_t i = 0;
while (i++ < diff)
{
elemsToRemove.insert(*it);
if (it != _keys.begin())
{
--it;
}
}
}LRUStrategy的replace操作是，只在curSize超过设定的访问上限_size时触发，把list容器中排在末尾的(curSize-_size)个元素标志为失效。
而对于Time base expired策略，还如此设计，我觉得不太合适。在时间策略的strategy类中，存在着两个容器，一个是std::map<TKey, IndexIterator>，另外一个是std::multimap<Timestamp, TKey>。进行插入操作时，代码为：
void onAdd(const void*, const KeyValueArgs <TKey, TValue>& args)
{
Timestamp now;
IndexIterator it = _keyIndex.insert(typename TimeIndex::value_type(now, args.key()));
std::pair<Iterator, bool> stat = _keys.insert(typename Keys::value_type(args.key(), it));
if (!stat.second)
{
_keyIndex.erase(stat.first->second);
stat.first->second = it;
}
}可以看到map容器中保存的是multimap中pair对的itorator。其replace操作如下：
void onReplace(const void*, std::set<TKey>& elemsToRemove)
{
// Note: replace only informs the cache which elements
// it would like to remove!
// it does not remove them on its own!
IndexIterator it = _keyIndex.begin();
while (it != _keyIndex.end() && it->first.isElapsed(_expireTime))
{
elemsToRemove.insert(it->second);
++it;
}
} 可以看到这是对multimap的遍历，效率为O(n)。如果这样的话，我觉得完全可以把std::map<TKey, IndexIterator>和std::multimap<Timestamp, TKey>合二为一，定义成为std::map<TKey, Timestamp>，replace的操作仍然采用遍历，效率为O(n).
对于基于时间的策略，O(n)的效率可能不能接受。我觉得可能的解决方法有两种。第一，把Cache变成主动对象，内部定期的收集失效元素，而不由外部触发。这样虽然并没有提高replace操作效率，但把replace操作和外部接口的add等操作分开了。外部调用接口的效率提高了。第二，在内部实现多个map容器，分组管理不同过期时间的对象。
3. 开销
Poco中的Cache类比std::map要慢，其中开销最大的操作为add操作。采用Time Expire策略的Cache要比采用LRU策略的Cache更慢。并且由于Cache类引入了SharePtr和Strategy，其空间花费也要大于std::map。所以在没有必要使用Cache的情况下，还是使用map较好。4. 例子
下面是Cache的一个示例：#include "Poco/LRUCache.h"
int main()
{
Poco::LRUCache<int, std::string> myCache(3);
myCache.add(1, "Lousy"); // |-1-| -> first elem is the most popular one
Poco::SharedPtr<std::string> ptrElem = myCache.get(1); // |-1-|
myCache.add(2, "Morning"); // |-2-1-|
myCache.add(3, "USA"); // |-3-2-1-|
// now get rid of the most unpopular entry: "Lousy"
myCache.add(4, "Good"); // |-4-3-2-|
poco_assert (*ptrElem == "Lousy"); // content of ptrElem is still valid
ptrElem = myCache.get(2); // |-2-4-3-|
// replace the morning entry with evening
myCache.add(2, "Evening"); // 2 Events: Remove followed by Add
}
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