28、深入理解 Coherence C++ 中的对象管理与缓存操作

深入理解 Coherence C++ 中的对象管理与缓存操作

1. 管理对象模型概述

Coherence C++ API 构建于管理对象模型之上，该模型负责对象的生命周期管理。在处理管理对象时，无需显式调用 new 或 delete 。管理对象是从 coherence::lang::Object 派生的任何类的实例，基类负责维护对象的引用计数，当对象不再被引用时会自动销毁。

此模型对 Coherence 很有用，因为缓存会返回并保留对缓存对象的引用。缓存可能是更大数据集的子集，可能会在应用程序仍在使用先前获取的对同一项目的引用时逐出项目。因此，缓存项没有明确的所有者，管理对象模型通过接管所有权解决了这个问题，确保对象在不再被引用时自动删除。

应用程序代码通过智能指针与管理对象交互，智能指针会透明地更新管理对象的引用计数，使用方式与原始指针类似。Coherence 管理对象模型使用嵌套 typedef 声明类的智能指针，如 Foo::Handle 和 Foo::View 。

2. 智能指针类型

对于每个管理类，有三种智能指针 typedef： Handle 、 View 和 Holder 。
| 智能指针类型 | 功能等效 |
| ---- | ---- |
| Foo::Handle | Foo* |
| Foo::View | const Foo* |
| Foo::Holder | Foo* 和 const Foo* 的联合 |

Holder 的行为类似于 View ，但允许安全地尝试转换为 Handle 。与标准 C++ 的 const_cast<> 不同，Coherence 的 cast<> 是安全的，只有当 Holder 从 Handle 赋值时才会成功。 Holder 通常用于容器，允许调用者选择在集合中存储 Handle 或 View 。

3. 智能指针赋值规则

智能指针的赋值规则与常规指针相同：
- View 可以从 Handle 、 View 或 Holder 赋值。
- Holder 可以从 Handle 、 View 或 Holder 赋值，并会记住赋值的智能指针类型。
- Handle 可以从 Handle 赋值，或通过 cast<> 从 Holder 赋值。
- 父类的智能指针可以从派生类的智能指针赋值。
- 智能指针只能通过 cast<> 从非派生类赋值。

4. 管理对象的创建

为了正确维护引用计数，对象只能通过智能指针引用，而不能通过原始指针。因此，对象的创建不是通过传统的 new 运算符，而是通过静态创建工厂方法（如 Foo::create() ）。该工厂方法返回初始的 Handle ，确保从对象创建时就避免使用原始指针。工厂方法通过继承的模板定义自动生成，接受与类的构造函数匹配的参数集，构造函数声明为受保护的，以确保这些对象不会通过其他方式分配。

5. 类型转换和类型检查

对象模型还包括用于执行动态转换的辅助函数，其功能大致相当于标准 C++ 的 dynamic_cast ，但专门用于管理类及其智能指针。例如：

Object::View v  = ...
String::View vs = cast<String::View>(v);

如果 View 引用的不是 String ，则 cast<> 函数调用会抛出 ClassCastException 。还有一个相关的 instanceof<> 辅助函数，用于判断转换是否会成功：

Object::View v = ... 
if (instanceof<String::View>(v))
{
    // v references a String
} 

这些函数对 Handle 、 View 或 Holder 同样适用。对于 Holder ，它们也是提取存储的 Handle 的机制：

Object::Holder oh = ...
String::Handle hs = cast<String::Handle>(oh);

6. 异常处理

Coherence C++ 中的错误条件通过抛出异常来传达。管理对象模型定义了一个以 coherence::lang::Exception 为根的管理异常层次结构。使用特殊的 COH_THROW 宏来抛出和重新抛出管理异常，该宏会尽可能将完整的堆栈跟踪记录到异常中，以帮助进行错误诊断。

异常通过其嵌套（或继承）的 View 类型捕获：

try
{
    ...
    COH_THROW (IOException::create("test"));
    ...
} 
catch (IOException::View vexIO)
{
    // handle IOException
} 
catch (Exception::View vex)
{
    // print exceptions description and stack trace
    std::cerr << vex << std::endl;
    COH_THROW (vex); // re-throw
}

管理异常也可以作为 std::exceptions 捕获，允许现有的错误处理逻辑处理它们：

try
{
    ...
    COH_THROW (IOException::create("test"));
    ...
} 
catch (const std::ios_base::failure& exIO)
{
    // handle IOException or other 
} 
catch (const std::exception& ex)
{
    // handle any Exception or std::exception
    std::cerr << ex.what() << std::endl;
    throw;
} 

7. 类层次结构命名空间

Coherence 类根据其功能组织成一组命名空间，头文件也类似组织。例如， coherence::lang::Object 定义在 coherence/lang/Object.hpp 中。为方便起见，每个命名空间都有一个特殊的头文件，包含该命名空间的所有头文件。通常使用 using namespace 语句将整个 coherence::lang 命名空间引入应用程序代码，而对于 coherence::lang 命名空间之外的类，建议使用显式类头文件和 using 语句。

8. 实现 Coherence C++ 客户端应用程序

以下是一个简单的 Coherence C++ 客户端应用程序示例，展示如何操作缓存：

NamedCache::Handle hCache = CacheFactory::getCache("accounts");
String::View vsKeySRB = "SRB";
String::View vsKeyUSA = "USA";
hCache->put(vsKeySRB, String::create("Serbia"));
hCache->put(vsKeyUSA, String::create("United States"));
hCache->put(vsKeyUSA, String::create("United States of America"));
hCache->remove(vsKeySRB);
std::cout << vsKeyUSA << " = " << hCache->get(vsKeyUSA) << std::endl;
std::cout << "Cache size = " << hCache->size() << std::endl;
hCache->clear();

9. 实现可缓存的 C++ 数据对象

前面的示例展示了如何使用基本缓存 API 存储字符串。现在定义一个简单的 C++ 类 Account 作为要缓存的自定义数据对象：

class Account
{
    // ----- data members -------------------------------------------
    private:
        const long long m_lId;
        std::string     m_sDescription;
        Money           m_balance;
        long long       m_lLastTransactionId;
        const long long m_lCustomerId;
    // ----- constructors --------------------------------------------
    public:
        Account(long long lId, const std::string& sDesc,
            const Money& balance, long long lLastTransId,
            long long lCustomerId)
            : m_lId(lId), m_sDescription(sDesc), m_balance(balance),
              m_lLastTransactionId(lLastTransId), 
              m_lCustomerId(lCustomerId)
            {
            }
        Account()
            : m_lId(0), m_lLastTransactionId(0), m_lCustomerId(0)
            {
            }
    // ----- accessors -----------------------------------------------
    public:
        long long getId() const
            {
            return m_lId;
            }
        std::string getDescription() const
            {
            return m_sDescription;
            }
        void setDescription(const std::string& sDesc)
            {
            m_sDescription = sDesc;
            }
        Money getBalance() const
            {
            return m_balance;
            }
        long long getLastTransactionId() const
            {
            return m_lLastTransactionId;
            }

        long long getCustomerId() const
            {
            return m_lCustomerId;
            }        
};

要将 Account 对象存储在缓存中，需要使其成为管理对象。由于在许多情况下，可能不希望将数据对象改造为管理对象，Coherence API 提供了 Managed<> 模板适配器。

10. Managed 适配器

为了与 Managed 模板兼容，数据对象类必须具备以下条件：
- 公共或受保护的零参数构造函数
- 复制构造函数
- 相等比较运算符
- std::ostream 输出函数
- 哈希函数

Account 类已经满足前两个要求，只需定义以下三个函数：

bool operator==(const Account& accountA, const Account& accountB)
{        
    return accountA.getId()            == accountB.getId()          &&
           accountA.getDescription()   == accountB.getDescription() &&
           accountA.getBalance()       == accountB.getBalance()     &&
           accountA.getLastTransactionId() ==   
                                    accountB.getLastTransactionId() &&
           accountA.getCustomerId()    == accountB.getCustomerId();       
}
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Account& account)
{
    out << "Account("
        << "Id="                  << account.getId()
        << ", Description="       << account.getDescription()
        << ", Balance="           << account.getBalance()
        << ", LastTransactionId=" << account.getLastTransactionId()
        << ", CustomerId="        << account.getCustomerId()
        << ')';
    return out;
} 
size_t hash_value(const Account& account)
{
    return (size_t) account.getId();
}

现在可以在代码中使用 Managed<Account> ：

// construct plain old Account object 
Account account(32105, "checking", Money(7374, 10, "USD"), 55, 62409);
// construct managed key and value 
Integer64::Handle        hlKey    = Integer64::create(32105);
Managed<Account>::Handle hAccount = Managed<Account>::create(account);
// cache hAccount
hCache->put(hlKey, hAccount);
// retrieve the cached value 
Managed<Account>::View vResult = cast<Managed<Account>::View>( 
    hCache->get(hlKey));
std::cout << "retrieved " << vResult << " from cache for key "
          << vResult->getId() << std::endl;
// convert the cached value back to a non-managed type
Account accountResult(*vResult);

11. 数据对象序列化

使用 Managed 适配器时，需要实现序列化功能，通过实现两个额外的自由函数来完成：

template<> void serialize<Account>(PofWriter::Handle hOut,
    const Account& account)
{
    hOut->writeInt64(0, account.getId());
    hOut->writeString(1, account.getDescription());
    hOut->writeObject(2, Managed<Money>::create( 
        account.getBalance()));
    hOut->writeInt64(3, account.getLastTransactionId());
    hOut->writeInt64(4, account.getCustomerId());
}
template<> Account deserialize<Account>(PofReader::Handle hIn)
{
    long long            lId         = hIn->readInt64(0);
    std::string          sDesc       = hIn->readString(1);
    Managed<Money>::View vBalance    = cast<Managed<Money>::View>(
        hIn->readObject(2));
    long long            lTransId    = hIn->readInt64(3);
    long long            lCustomerId = hIn->readInt64(4);
    return Account(lId, sDesc, *vBalance, lTransId, lCustomerId);
}

还需要将可序列化的 Managed<Account> 类注册到 Coherence C++ 库中：

COH_REGISTER_MANAGED_CLASS(POF_TYPE_ACCOUNT, Account);

最后，定义 POF_TYPE_ACCOUNT ，建议使用 #define 或其他外部常量，创建一个 PofConfig.hpp 文件：

#ifndef POF_CONFIG_HPP
#define POF_CONFIG_HPP
#define POF_TYPE_ACCOUNT             1000
#define POF_TYPE_MONEY               1003
#define POF_TYPE_TRANSACTION         1004
#define POF_TYPE_TRANSACTION_ID      1005
#define POF_TYPE_TRANSACTION_TYPE    1006
#define POF_TYPE_DEPOSIT_PROCESSOR   1051
#define POF_TYPE_WITHDRAW_PROCESSOR  1050
#define POF_TYPE_CURRENCY            2000 
#endif // POF_CONFIG_HPP

12. 实现管理类

也可以直接实现管理类，例如将 Account 类重写为管理类：

class Account
    : public cloneable_spec<Account>
{
    friend class factory<Account>;
    // ----- data members --------------------------------------------
    private:
        const int64_t       m_lId;
        MemberView<String>  m_sDescription;
        MemberHandle<Money> m_balance;
        int64_t             m_lLastTransactionId;
        const int64_t       m_lCustomerId;
    // ----- constructors --------------------------------------------
    protected:
        Account(int64_t lId, String::View sDesc, Money::View balance,
            int64_t lLastTransId, int64_t lCustomerId)
            : m_lId(lId), m_sDescription(self(), sDesc),
              m_balance(self(), balance),            
              m_lLastTransactionId(lLastTransId),
              m_lCustomerId(lCustomerId)
            {
            }
        Account()
            : m_lId(0), m_sDescription(self(), sDesc),
              m_balance(self(), balance), m_lLastTransactionId(0), 
              m_lCustomerId(0)
            {
            }
        Account(const Account& that)
            : m_lId(lId), m_sDescription(self(), sDesc),
              m_balance(self(), cast<Money::View>(balance->clone()),            
              m_lLastTransactionId(lLastTransId),
              m_lCustomerId(lCustomerId)
            {
            }
    // ----- accessors -----------------------------------------------
    public:
        virtual int64_t getId() const
            {
            return m_lId;
            }
        virtual String::View getDescription() const
            {
            return m_sDescription;
            }
        virtual void setDescription(String::View sDesc)
            {
            m_sDescription = sDesc;
            }
        virtual Money::View getBalance() const
            {
            return m_balance;
            }
        virtual int64_t getLastTransactionId() const
            {
            return m_lLastTransactionId;
            }
        virtual int64_t getCustomerId() const
            {
            return m_lCustomerId;
            }
    // ----- Object methods ------------------------------------------
    virtual bool equals(Object::View vThat) const
        {
        if (!instanceof<Account::View>(vThat))
            {
            return false;
            }
        Account::View that = cast<Account::View>(vThat);
        // 此处原文档未完成，可根据实际情况补充逻辑
    }
};

总结

通过以上内容，我们了解了 Coherence C++ 中的管理对象模型、智能指针的使用、对象的创建和销毁、类型转换和异常处理，以及如何实现 Coherence C++ 客户端应用程序、可缓存的数据对象和管理类。利用 Managed 模板适配器和序列化功能，可以方便地将自定义数据对象存储在 Coherence 缓存中。

mermaid 流程图：对象缓存操作流程

graph LR
    A[创建 Account 对象] --> B[创建 Managed<Account> 对象]
    B --> C[获取 NamedCache]
    C --> D[将 Managed<Account> 存入缓存]
    D --> E[从缓存中获取对象]
    E --> F[将缓存对象转换为非管理类型]

mermaid 流程图：数据对象序列化流程

graph LR
    A[定义 Account 类] --> B[实现序列化函数]
    B --> C[注册 Managed<Account> 类]
    C --> D[定义 POF_TYPE_ACCOUNT]

深入理解 Coherence C++ 中的对象管理与缓存操作

13. 管理对象模型的优势与应用场景分析

管理对象模型在 Coherence C++ 中具有显著优势，尤其在处理缓存对象时。由于缓存对象的所有权不明确，传统的对象管理方式容易导致内存泄漏或对象过早销毁。而管理对象模型通过引用计数自动管理对象的生命周期，确保对象在不再被引用时自动销毁，避免了这些问题。

在以下场景中，管理对象模型的优势尤为明显：
- 多线程环境 ：在多线程应用中，多个线程可能同时访问和操作缓存对象。管理对象模型的引用计数机制可以确保对象在所有线程都不再使用时才被销毁，避免了多线程环境下的竞态条件。
- 分布式系统 ：在分布式系统中，缓存对象可能在不同的节点之间传递和使用。管理对象模型可以确保对象在整个分布式系统中的生命周期得到正确管理，提高系统的稳定性和可靠性。

14. 智能指针的高级应用

智能指针除了基本的赋值和类型转换操作外，还有一些高级应用场景。

智能指针的嵌套使用 ：在复杂的对象结构中，可能会出现智能指针的嵌套使用。例如，一个管理对象可能包含另一个管理对象的智能指针。在这种情况下，需要注意智能指针的生命周期管理，避免出现悬空指针或内存泄漏。

class InnerObject : public cloneable_spec<InnerObject>
{
    // 类定义
};

class OuterObject : public cloneable_spec<OuterObject>
{
private:
    MemberHandle<InnerObject> m_hInner;
public:
    OuterObject(InnerObject::Handle hInner) : m_hInner(hInner) {}
    // 其他成员函数
};

// 使用示例
InnerObject::Handle hInner = InnerObject::create();
OuterObject::Handle hOuter = OuterObject::create(hInner);

智能指针与容器的结合使用 ：智能指针可以与 Coherence 的容器类（如 coherence::util::Collection ）结合使用，方便地管理容器中的对象。

#include "coherence/util/ArrayList.hpp"

using coherence::util::ArrayList;

// 创建容器
ArrayList::Handle hList = ArrayList::create();

// 创建管理对象
String::Handle hString = String::create("Hello");

// 将管理对象添加到容器中
hList->add(hString);

// 从容器中获取对象
String::View vString = cast<String::View>(hList->get(0));

15. 异常处理的最佳实践

在 Coherence C++ 中，异常处理是确保程序健壮性的重要环节。以下是一些异常处理的最佳实践：

异常类型的细化处理 ：在捕获异常时，尽量细化异常类型，避免捕获过于宽泛的异常类型。这样可以更精确地处理不同类型的异常，提高程序的可维护性。

try
{
    // 可能抛出异常的代码
    COH_THROW (IOException::create("File not found"));
} 
catch (IOException::View vexIO)
{
    // 处理 IOException
    std::cerr << "IOException: " << vexIO->getMessage() << std::endl;
} 
catch (Exception::View vex)
{
    // 处理其他异常
    std::cerr << "Other Exception: " << vex->getMessage() << std::endl;
}

异常的日志记录 ：在捕获异常时，将异常信息记录到日志中，方便后续的问题排查和分析。

#include <fstream>

try
{
    // 可能抛出异常的代码
    COH_THROW (IOException::create("Network error"));
} 
catch (Exception::View vex)
{
    std::ofstream logFile("error.log", std::ios::app);
    if (logFile.is_open())
    {
        logFile << "Exception: " << vex->getMessage() << std::endl;
        logFile.close();
    }
    COH_THROW (vex); // 重新抛出异常
}

16. 可缓存数据对象的性能优化

在实际应用中，可缓存数据对象的性能优化是非常重要的。以下是一些性能优化的建议：

减少序列化开销 ：序列化是将对象转换为字节流的过程，可能会成为性能瓶颈。可以通过优化序列化函数，减少不必要的数据序列化，提高序列化的效率。

template<> void serialize<Account>(PofWriter::Handle hOut,
    const Account& account)
{
    // 只序列化必要的数据
    hOut->writeInt64(0, account.getId());
    hOut->writeString(1, account.getDescription());
}

缓存命中率优化 ：通过合理设置缓存的大小、过期时间和淘汰策略，提高缓存的命中率，减少对后端数据源的访问。

// 设置缓存的最大大小
NamedCache::Handle hCache = CacheFactory::getCache("accounts");
hCache->setCacheMode(NamedCache::CACHE_MODE_LOCAL);
hCache->setHighUnits(1000); // 最大缓存对象数量

17. 与其他技术的集成

Coherence C++ 可以与其他技术进行集成，扩展其功能和应用场景。

与数据库的集成 ：可以将 Coherence 缓存与数据库结合使用，提高数据的访问速度。当缓存中没有所需的数据时，从数据库中获取数据并存储到缓存中。

NamedCache::Handle hCache = CacheFactory::getCache("accounts");
Object::View vKey = String::create("123");
Object::Holder ohValue = hCache->get(vKey);
if (ohValue == NULL)
{
    // 从数据库中获取数据
    Account account = getAccountFromDatabase(vKey);
    Managed<Account>::Handle hAccount = Managed<Account>::create(account);
    hCache->put(vKey, hAccount);
    ohValue = hAccount;
}
Managed<Account>::View vAccount = cast<Managed<Account>::View>(ohValue);

与消息队列的集成 ：可以将 Coherence 与消息队列（如 Kafka、RabbitMQ 等）集成，实现异步消息处理和数据同步。

// 假设使用 Kafka 作为消息队列
#include <librdkafka/rdkafkacpp.h>

// 生产者配置
RdKafka::Conf* pConf = RdKafka::Conf::create(RdKafka::Conf::CONF_GLOBAL);
pConf->set("bootstrap.servers", "localhost:9092", errstr);

// 创建生产者
RdKafka::Producer* pProducer = RdKafka::Producer::create(pConf, errstr);

// 从缓存中获取数据并发送到 Kafka
NamedCache::Handle hCache = CacheFactory::getCache("accounts");
for (size_t i = 0; i < hCache->size(); ++i)
{
    Object::View vKey = hCache->getKey(i);
    Object::Holder ohValue = hCache->get(vKey);
    Managed<Account>::View vAccount = cast<Managed<Account>::View>(ohValue);
    std::string message = vAccount->toString();
    pProducer->produce("account_topic", RdKafka::Topic::PARTITION_UA,
        RdKafka::Producer::RK_MSG_COPY,
        const_cast<char*>(message.c_str()), message.size(),
        NULL, 0, 0, NULL);
    pProducer->poll(0);
}
pProducer->flush(10 * 1000); // 等待所有消息发送完成
delete pProducer;

mermaid 流程图：异常处理流程

graph LR
    A[执行可能抛出异常的代码] --> B{是否抛出异常}
    B -- 是 --> C[捕获异常]
    C --> D{异常类型是否匹配}
    D -- 是 --> E[处理异常]
    D -- 否 --> F[继续捕获其他异常类型]
    B -- 否 --> G[正常执行后续代码]
    E --> H[记录异常信息]
    H --> I[是否重新抛出异常]
    I -- 是 --> A
    I -- 否 --> G

mermaid 流程图：与数据库集成流程

graph LR
    A[从缓存获取数据] --> B{数据是否存在于缓存}
    B -- 是 --> C[使用缓存数据]
    B -- 否 --> D[从数据库获取数据]
    D --> E[将数据存入缓存]
    E --> C

总结

本文全面深入地探讨了 Coherence C++ 中的管理对象模型、智能指针、异常处理、可缓存数据对象的实现和优化，以及与其他技术的集成。通过合理运用这些技术，可以提高 Coherence C++ 应用程序的性能、稳定性和可维护性。在实际开发中，应根据具体的应用场景和需求，灵活选择和应用这些技术，以实现最佳的开发效果。