内存缓存和分布式缓存

参考官方文档：https://learn.microsoft.com/zh-cn/aspnet/core/performance/caching/overview?view=aspnetcore-6.0

内存中缓存可以存储任何对象。分布式缓存接口仅限于 byte[]，应用程序需要自行解决针对缓存对象的序列化和反序列化问题。内存中和分布式缓存都将缓存项存储为键值对。

1、内存缓存

内存缓存就是把缓存数据放到应用程序内存中，利用内存读写比磁盘、网络请求快的特点来提高应用性能。不同程序内存缓存相互独立，一旦程序重启，内存缓存中的数据也会丢失。

1.1、过期策略

绝对时间过期策略：不论缓存对象最近使用的频率如何，对应的 ICacheEntry 对象总是在指定的时间点之后过期。注意：当 AbsoluteExpiration 和 AbsoluteExpirationRelativeToNow 都设置值的时候，绝对过期时间取距离当前时间近的那个设置。
滑动过期：如果在指定的时间内没有读取过该缓存条目，缓存将会过期。反之，针对缓存的每一次使用都会将过期时间向后延长SlidingExpiration时长。
两种混用：如设置了绝对过期时间为1小时后，且滑动过期时间为5分钟，则过期采用的算法为：Min(AbsoluteExpiration - Now , SlidingExpiration)。注意：绝对过期时间一定要大于滑动过期时间。
利用 IChangeToken 对象发送通知：在对象被修改之前永不过期，修改后更改缓存值。

1.2、代码中使用

添加 Nuget 引用：Microsoft.Extensions.Caching.Memory

在 startup.cs 服务配置里面加上：services.AddMemoryCache();

上面将服务添加到依赖注入容器后，在构造函数中请求 IMemoryCache 实例：

public class IndexModel : PageModel
{
    private readonly IMemoryCache _memoryCache;

    public IndexModel(IMemoryCache memoryCache) =>
        _memoryCache = memoryCache;

    // ...
}

方法一：（推荐）使用 GetOrCreate 和 GetOrCreateAsync 扩展方法来缓存数据

public async Task OnGetCacheGetOrCreateAsync()
{
    var cachedValue = await _memoryCache.GetOrCreateAsync(
        CacheKeys.Entry,//自定义key，object
        cacheEntry =>
        {
            //设置绝对过期时间
            cacheEntry.AbsoluteExpirationRelativeToNow = TimeSpan.FromSeconds(20);
            //设置滑动过期时间
            cacheEntry.SlidingExpiration = TimeSpan.FromSeconds(3);
            return Task.FromResult(DateTime.Now);
        });

    // ...
}
//GetOrCreate类似

方法二：使用 TryGetValue 来检查缓存中是否包含时间。如果未缓存时间，则创建一个新条目，并使用 Set 将该条目添加到缓存中

public void OnGet()
{
    CurrentDateTime = DateTime.Now;

    if (!_memoryCache.TryGetValue(CacheKeys.Entry, out DateTime cacheValue))
    {
        cacheValue = CurrentDateTime;

        //设置绝对过期时间
        _memoryCache.Set(CacheKeys.Entry, DateTime.Now, TimeSpan.FromDays(1));
        //设置滑动过期时间
        _memoryCache.Set(CacheKeys.Entry, DateTime.Now,new MemoryCacheEntryOptions() { SlidingExpiration=new TimeSpan(0,0,10)});
    }

    CacheCurrentDateTime = cacheValue;
}

2、分布式缓存

分布式缓存是由多个应用服务器共享的缓存，通常作为访问它的应用服务器的外部服务进行维护。.Net Core使用统一的 IDistributedCache 接口与缓存进行交互。

2.1、基于 Redis 的分布式缓存

首先请确保已经正常安装并启动了 Redis，并在项目中添加Nuget包：Microsoft.Extensions.Caching.Redis

关于这个组件工具的文档说明，参考：https://stackexchange.github.io/StackExchange.Redis/

//startup.cs
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    services.AddDistributedRedisCache(option =>
    {
        option.Configuration = "localhost";
        option.InstanceName = "Demo_";//每个rediskey前面加上的字符串，用于区分不同应用系统。
    });

    services.AddControllersWithViews();
}

//HomeController.cs
private readonly IDistributedCache distributedCache;//Redis
public HomeController(IDistributedCache distributedCache)
{
    this.distributedCache = distributedCache;
}
public async Task<string> TestRedisCache()
{
    var time = await distributedCache.GetStringAsync("CurrentTime");
    if (null==time)
    {
        time = DateTime.Now.ToString();
        await distributedCache.SetAsync("CurrentTime", Encoding.UTF8.GetBytes(time));
        //设置带有过期时间的
        //redisCache.SetString("str", DateTime.Now.Ticks.ToString(),new DistributedCacheEntryOptions() { AbsoluteExpiration=DateTime.Now.AddSeconds(10)});
    }
    return $"缓存时间：{time}(,当前时间：{DateTime.Now})";
}

可以额外了解下：StackExchange.Redis 。它是 .NET 领域知名的 Redis 客户端框架。

3、封装

缓存穿透：一直查询不存在的值。
解决方案：把null值也当成一个数据存入缓存。使用 GetOrCreate()/GetOrCreateAsync() 方法即可，因为它会把 null 值也当成合法的缓存值。

缓存雪崩：缓存项集中过期引起缓存雪崩。
解决方案：在基础过期时间之上，再加一个随机的过期时间。

基于缓存穿透和缓存雪崩问题，封装缓存操作类。

3.1、扩展Random.NextDouble()

扩展 random 随机数使其支持 Double ，避免int类型不精确或者缓存过多导致随机数重复，造成缓存雪崩。

RondowExtensions

 public static class RondowExtensions
{
    public static double NextDouble(this Random random, double minValue, double maxValue)
    {
        if (minValue >= maxValue) throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(minValue), "minValue annot be bigger than maxValue");
        double x = random.NextDouble();
        return x * maxValue + (1 - x) * minValue;
    }
}

3.2、内存缓存操作帮助类

常用 IMemoryCache接口：

bool TryGetValue：尝试获取缓存键为key的缓存值，用value参数获取缓存值。如果缓存中没有缓存键为key的缓存值，方法返回true，否则返回false。
void Remove：删除缓存键为key的缓存内容。
TItem Set<TItem>：设置缓存键为key的缓存值为value。
TItem GetOrCreate<TItem>：尝试获取缓存键为key的缓存值，方法的返回值为获取的缓存值。如果缓存中没有缓存键为key的缓存值，则调用factory指向的回调从数据源获取数据，把获取的数据作为缓存值保存到缓存中，并且把获取的数据作为方法的返回值。
TItem GetOrCreateAsync<TItem>：异步版本的GetOrCache方法。

IMemoryCacheHelper

public interface IMemoryCacheHelper
{
    /// <summary>
    /// 从缓存中获取数据，如果缓存中没有数据，则调用valueFactory获取数据。
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// 这里加入了缓存数据的类型不能是IEnumerable、IQueryable等类型的限制
    /// </remarks>
    /// <typeparam name="TResult">缓存的值的类型</typeparam>
    /// <param name="cacheKey">缓存的key</param>
    /// <param name="valueFactory">提供数据的委托</param>
    /// <param name="expireSeconds">缓存过期秒数的最大值，实际缓存时间是在[expireSeconds,expireSeconds*2)之间，这样可以一定程度上避免大批key集中过期导致的“缓存雪崩”的问题</param>
    /// <returns></returns>
    TResult? GetOrCreate<TResult>(string cacheKey, Func<ICacheEntry, TResult?> valueFactory, int expireSeconds = 60);

    Task<TResult?> GetOrCreateAsync<TResult>(string cacheKey, Func<ICacheEntry, Task<TResult?>> valueFactory, int expireSeconds = 60);

    /// <summary>
    /// 删除缓存的值
    /// </summary>
    /// <param name="cacheKey"></param>
    void Remove(string cacheKey);
}

MemoryCacheHelper

/// <summary>
/// IMemoryCacheHelper 内存缓存帮助实现类
/// </summary>
internal class MemoryCacheHelper : IMemoryCacheHelper
{
    private readonly IMemoryCache _memoryCache;
    public MemoryCacheHelper(IMemoryCache memoryCache)
    {
        _memoryCache = memoryCache;
    }

    public TResult? GetOrCreate<TResult>(string cacheKey, Func<ICacheEntry, TResult?> valueFactory, int expireSeconds = 60)
    {
        ValidateValueType<TResult>();

        // 因为IMemoryCache保存的是一个CacheEntry，所以null值也认为是合法的，因此返回null不会有“缓存穿透”的问题
        // 不调用系统内置的CacheExtensions.GetOrCreate，而是直接用GetOrCreate的代码，这样免得包装一次委托
        if (!_memoryCache.TryGetValue(cacheKey, out TResult result))
        {
            using ICacheEntry entry = _memoryCache.CreateEntry(cacheKey);
            InitCacheEntry(entry, expireSeconds);
            result = valueFactory(entry)!;
            entry.Value = result;
        }

        return result;
    }

    public async Task<TResult?> GetOrCreateAsync<TResult>(string cacheKey, Func<ICacheEntry, Task<TResult?>> valueFactory, int expireSeconds = 60)
    {
        ValidateValueType<TResult>();

        if (!_memoryCache.TryGetValue(cacheKey, out TResult result))
        {
            using ICacheEntry entry = _memoryCache.CreateEntry(cacheKey);
            InitCacheEntry(entry, expireSeconds);
            result = (await valueFactory(entry))!;
            entry.Value = result;
        }

        return result;
    }

    public void Remove(string cacheKey) => _memoryCache.Remove(cacheKey);

    /// <summary>
    /// 过期时间
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// Random.Shared 是.NET6新增的
    /// </remarks>
    /// <param name="entry">ICacheEntry</param>
    /// <param name="baseExpireSeconds">过期时间</param>
    private static void InitCacheEntry(ICacheEntry entry, int baseExpireSeconds) =>
        entry.AbsoluteExpirationRelativeToNow = TimeSpan.FromSeconds(Random.Shared.NextDouble(baseExpireSeconds, baseExpireSeconds * 2));

    /// <summary>
    /// 验证值类型
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TResult"></typeparam>
    /// <exception cref="InvalidOperationException"></exception>
    private static void ValidateValueType<TResult>()
    {
        // 因为IEnumerable、IQueryable等有延迟执行的问题，造成麻烦，因此禁止用这些类型
        Type typeResult = typeof(TResult);

        // 如果是IEnumerable<String>这样的泛型类型，则把String这样的具体类型信息去掉，再比较
        if (typeResult.IsGenericType)
        {
            typeResult = typeResult.GetGenericTypeDefinition();
        }

        // 注意用相等比较，不要用IsAssignableTo
        if (typeResult == typeof(IEnumerable<>)
            || typeResult == typeof(IEnumerable)
            || typeResult == typeof(IAsyncEnumerable<TResult>)
            || typeResult == typeof(IQueryable<TResult>)
            || typeResult == typeof(IQueryable))
        {
            throw new InvalidOperationException($"TResult of {typeResult} is not allowed, please use List<T> or T[] instead.");
        }
    }
}

3.3、分布式缓存操作帮助类

常用 IDistributedCache 接口：

Get、GetAsync：如果在缓存中找到，则接受字符串键并以 byte[] 数组的形式检索缓存项。
Set、SetAsync：使用字符串键将项（作为 byte[] 数组）添加到缓存。
Refresh、RefreshAsync：根据键刷新缓存中的项，重置其可调到期超时（如果有）。
Remove、RemoveAsync：根据字符串键删除缓存项。

IDistributedCacheHelper

 public interface IDistributedCacheHelper
{
    /// <summary>
    /// 创建缓存
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TResult"></typeparam>
    /// <param name="cacheKey"></param>
    /// <param name="valueFactory"></param>
    /// <param name="expireSeconds"></param>
    /// <returns></returns>
    TResult? GetOrCreate<TResult>(string cacheKey, Func<DistributedCacheEntryOptions, TResult?> valueFactory, int expireSeconds = 60);

    /// <summary>
    /// 创建缓存
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TResult"></typeparam>
    /// <param name="cacheKey"></param>
    /// <param name="valueFactory"></param>
    /// <param name="expireSeconds"></param>
    /// <returns></returns>
    Task<TResult?> GetOrCreateAsync<TResult>(string cacheKey, Func<DistributedCacheEntryOptions, Task<TResult?>> valueFactory, int expireSeconds = 60);

    /// <summary>
    /// 删除缓存
    /// </summary>
    /// <param name="cacheKey"></param>
    void Remove(string cacheKey);

    /// <summary>
    /// 删除缓存
    /// </summary>
    /// <param name="cacheKey"></param>
    /// <returns></returns>
    Task RemoveAsync(string cacheKey);
}

DistributedCacheHelper

 /// <summary>
/// 分布式缓存帮助实现类
/// </summary>
public class DistributedCacheHelper : IDistributedCacheHelper
{
    private readonly IDistributedCache _distCache;

    public DistributedCacheHelper(IDistributedCache distCache)
    {
        _distCache = distCache;
    }

    public TResult? GetOrCreate<TResult>(string cacheKey, Func<DistributedCacheEntryOptions, TResult?> valueFactory, int expireSeconds = 60)
    {
        string jsonStr = _distCache.GetString(cacheKey);

        // 缓存中不存在
        if (string.IsNullOrEmpty(jsonStr))
        {
            var options = CreateOptions(expireSeconds);

            // 如果数据源中也没有查到，可能会返回null
            TResult? result = valueFactory(options);

            // null 会被 json 序列化为字符串 "null"，所以可以防范“缓存穿透”
            string jsonOfResult = JsonSerializer.Serialize(result, typeof(TResult));
            _distCache.SetString(cacheKey, jsonOfResult, options);

            return result;
        }
        else
        {
            // "null"会被反序列化为null
            // TResult如果是引用类型，就有为null的可能性；如果TResult是值类型
            // 在写入的时候肯定写入的是0、1之类的值，反序列化出来不会是null
            // 所以如果obj这里为null，那么存进去的时候一定是引用类型
            _distCache.Refresh(cacheKey);//刷新，以便于滑动过期时间延期

            return JsonSerializer.Deserialize<TResult>(jsonStr)!;
        }
    }

    public async Task<TResult?> GetOrCreateAsync<TResult>(string cacheKey, Func<DistributedCacheEntryOptions, Task<TResult?>> valueFactory, int expireSeconds = 60)
    {
        string jsonStr = await _distCache.GetStringAsync(cacheKey);

        if (string.IsNullOrEmpty(jsonStr))
        {
            var options = CreateOptions(expireSeconds);

            TResult? result = await valueFactory(options);
            string jsonOfResult = JsonSerializer.Serialize(result, typeof(TResult));

            await _distCache.SetStringAsync(cacheKey, jsonOfResult, options);
            return result;
        }
        else
        {
            await _distCache.RefreshAsync(cacheKey);
            return JsonSerializer.Deserialize<TResult>(jsonStr)!;
        }
    }

    public void Remove(string cacheKey) => _distCache.Remove(cacheKey);

    public Task RemoveAsync(string cacheKey) => _distCache.RemoveAsync(cacheKey);

    private static DistributedCacheEntryOptions CreateOptions(int expireSeconds) => new()
    {
        // 过期时间.Random.Shared 是.NET6新增的
        AbsoluteExpirationRelativeToNow = TimeSpan.FromSeconds(Random.Shared.NextDouble(expireSeconds, expireSeconds * 2))
    };
}

posted @ 2024-03-14 17:39 茜茜87 阅读(10) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

刷新页面返回顶部