三种处理缓存失效的策略

本文探讨了三种处理缓存失效的方法:无锁、线程锁和预更新。无锁策略会导致持久化层压力大,线程锁策略引起CPU瞬时高峰和网络带宽冲击,而预更新策略在缓存过期前由后台线程更新,减轻了系统压力并避免页面卡顿。在大规模集群环境中,可采用消息队列进一步优化更新流程。

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缓存过期失效时,需要从持久化层获取数据。从持久化层获取数据一般耗时较长,且CPU/内存消耗较高。

参考了http://www.zrwm.com/?p=7265,处理缓存失效主要有三种方式,写了个Servlet对其进行了验证。

测试端启动200个线程,每个线程请求200次,每次间隔100ms。

1,getDataNoLock()。缓存失效时,所有没有获取到缓存的线程均去访问持久化层;

    这个方法应用服务器CPU利用率是最低的,峰值CPU为50%左右。但是持久化层在3000ms的访问期间被访问多次,压力巨大。另外访问持久化层期间页面不响应。

2,getDataByThreadLock()。缓存失效时,由一个线程获得锁,单独访问,其他线程挂起;

   这个方法在缓存过期的时候只有一个线程访问持久化层。但是访问期间大量线程积压,造成瞬间CPU冲高到200%,并且持久化返回结果存入Memcached后, 所有线程在短短300ms内返回,对网络带宽也是很大的冲击。另外访问持久化层期间页面不响应。

3,getDataByUpdate()。在缓存失效前由一个线程更新缓存。

  这个方法在缓存过期前,就提前由一个后台线程更新Memcached。虽然也用到了锁,但是锁住时间(Memcached置LOCK标志时间)与方法2(持久化时间)相比极短。并且持久化访问由后台线程进行,不影响创建后台线程的业务线程及时放回。另外,页面访问期间也不会有卡顿的现象出现。

   如果是几十台上百台服务器的集群环境,可以增加Memcached更新消息处理服务器。应用服务器发现Memcached需要更新的时候,发送JMS消息给消息处理服务器,由其完成Memcached更新过程,从而彻底解放更新缓存过程。

 

题外话:MemNoCacheServlet中有一段static代码,这段代码会在访问该Servlet,MemNoCacheServlet.class加载的实例化过程中执行,类的加载会获得内部类级锁,保证只能有一个线程执行类的加载实例化,所以这段代码是线程安全的。实际测试过程中,输出结果也说明了这点。

 

package org.pile.memcached;

import org.pile.util.ResponseBuilder; import org.pile.util.DataAccess;

import java.text.SimpleDateFormat; import java.util.Calendar; import java.io.IOException;

import javax.servlet.ServletException; import javax.servlet.http.HttpServlet; import javax.servlet.http.HttpServletRequest; import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

@SuppressWarnings("serial") public class MemNoCacheServlet extends HttpServlet {  private static final String CACHE_KEY = "MemNoCache:";  static {   printLog("Begin servlet class static initialize.");   Calendar calen = Calendar.getInstance();   String responseBody = DataAccess.accessData(CACHE_KEY, 3000);   calen.add(Calendar.SECOND, 10);   MemCache.setCache(CACHE_KEY, 15,     responseBody + "|" + calen.getTimeInMillis());   printLog("End servlet class static initialize.");  }

 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)    throws ServletException, IOException {   int updateMethod = 1;   if (null != request.getParameter("method")) {    updateMethod = Integer.parseInt(request.getParameter("method"));   }   switch (updateMethod) {   case 1:    this.getDataNoLock(request, response);    break;   case 2:    this.getDataByUpdate(request, response);    break;   case 3:    this.getDataByThreadLock(request, response);    break;   default:    this.getDataNoLock(request, response);    break;   }  }

 private void getDataNoLock(HttpServletRequest request,    HttpServletResponse response) {   Object dataObj = MemCache.getCache(CACHE_KEY);   String responseBody = null;   if (null != dataObj) {    // System.out.println(Thread.currentThread().getId() +    // " get data.");    responseBody = dataObj.toString();   }

  if (null == responseBody) {    printLog(Thread.currentThread().getId() + " access data.");    responseBody = DataAccess.accessData(CACHE_KEY, 3000);    printLog(Thread.currentThread().getId() + " set cache.");    MemCache.setCache(CACHE_KEY, 10, responseBody);   }

  ResponseBuilder.buildResponse(responseBody, response);  }

 /*   * Begin 2013-10-14 01:10:34 768 ---- End 2013-10-14 01:10:55 909 Total   * request 40,000 RPS:: 1887Req/S   */  private void getDataByUpdate(HttpServletRequest request,    HttpServletResponse response) {   // <K,V> <key, value|expire_time>   Object dataObj = MemCache.getCache(CACHE_KEY);   if (null == dataObj) {    printLog("Get null value from mamched.");    return;   }   String responseBody = dataObj.toString().split("\\|")[0];   String updTimeStr = dataObj.toString().split("\\|")[1];   if (((Calendar.getInstance().getTimeInMillis() - Long     .parseLong(updTimeStr)) > 0)) {    printLog("Time elapse::"      + (Calendar.getInstance().getTimeInMillis() - Long        .parseLong(updTimeStr)));    if (null == MemCache.getCache(CACHE_KEY + "::LOCKED")) {     printLog("Try object lock.");     synchronized (CACHE_KEY) {      printLog("Get object lock.");      MemCache.setCache(CACHE_KEY + "::LOCKED", 5, "true");      Thread daemonThread = new Thread() {       public void run() {        Calendar calen = Calendar.getInstance();        String responseBody = DataAccess.accessData(          CACHE_KEY, 3000);        calen.add(Calendar.SECOND, 10);        MemCache.setCache(CACHE_KEY, 15, responseBody          + "|" + calen.getTimeInMillis());        printLog("Daemon update thread run over.");       }      };      daemonThread.start();     }    } else {     printLog("Load data from memcached. Lock is captured by other thread, return data.");    }   } else {    printLog("Load data from memcached, not hit update time.");   }   ResponseBuilder.buildResponse(responseBody, response);  }

 private void getDataByThreadLock(HttpServletRequest request,    HttpServletResponse response) {   Object dataObj = MemCache.getCache(CACHE_KEY);   String responseBody = null;   if (null != dataObj) {    // System.out.println(Thread.currentThread().getId() +    // " get data.");    responseBody = dataObj.toString();   }

  if (null == responseBody) {    if (null == MemCache.getCache(CACHE_KEY + "::LOCKED")) {     printLog(Thread.currentThread().getId() + "Try object lock.");     synchronized (CACHE_KEY) {      printLog(Thread.currentThread().getId() + "Get object lock.");      MemCache.setCache(CACHE_KEY + "::LOCKED", 5, "true");      responseBody = DataAccess.accessData(CACHE_KEY, 3000);      printLog(Thread.currentThread().getId() + " access data::" + responseBody);      boolean cacheResult = MemCache.setCache(CACHE_KEY, 15, responseBody);      printLog(Thread.currentThread().getId() + " set cache::" + cacheResult);     }    }    else{     int waitTimes = 0;     printLog(Thread.currentThread().getId() + "Begin wait for cache.");     while(true){      try{       dataObj = MemCache.getCache(CACHE_KEY);       if(null == dataObj){        waitTimes++;        if(waitTimes >= 10){         printLog(Thread.currentThread().getId() + "Wait for cache overtime.");         break;        }        Thread.sleep(300);       }       else{        responseBody = dataObj.toString();        break;       }      }      catch(Exception exp){       exp.printStackTrace();      }     }    }   }

  ResponseBuilder.buildResponse(responseBody, response);  }

 private static void printLog(String logStr) {   Calendar calen = Calendar.getInstance();   SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss,SSS");   System.out.println(df.format(calen.getTime()) + "::" + logStr);  } }

 

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