LocalCache在Java项目中如何实现本地缓存

今天就跟大家聊聊有关LocalCache在Java项目中如何实现本地缓存，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

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一、本地缓存应用场景

localcache有着极大的性能优势：

1. 单机情况下适当使用localcache会使应用的性能得到很大的提升。

2. 集群环境下对于敏感性要求不高的数据可以使用localcache，只配置简单的失效机制来保证数据的相对一致性。

哪些数据可以存储到本地缓存？

1．访问频繁的数据；

2．静态基础数据（长时间内不变的数据）；

3．相对静态数据（短时间内不变的数据）。

二、java本地缓存标准

Java缓存新标准（javax.cache），这个标准由JSR107所提出，已经被包含在Java EE 7中。

特性：
1．原子操作，跟java.util.ConcurrentMap类似
2．从缓存中读取
3．写入缓存
4．缓存事件监听器
5．数据统计
6．包含所有隔离（ioslation）级别的事务
7．缓存注解（annotations）
8．保存定义key和值类型的泛型缓存
9．引用保存（只适用于堆缓存）和值保存定义

但目前应用不是很普遍。

三、java开源缓存框架

比较有名的本地缓存开源框架有：

1．EHCache

EHCache是一个纯java的在进程中的缓存，它具有以下特性：快速，简单，为Hibernate2.1充当可插入的缓存，最小的依赖性，全面的文档和测试。

BUG：过期失效的缓存元素无法被GC掉，时间越长缓存越多，内存占用越大，导致内存泄漏的概率越大。

2．OSCache

OSCache有以下特点：缓存任何对象，你可以不受限制的缓存部分jsp页面或HTTP请求，任何java对象都可以缓存。拥有全面的API--OSCache API给你全面的程序来控制所有的OSCache特性。永久缓存--缓存能随意的写入硬盘，因此允许昂贵的创建(expensive-to-create)数据来保持缓存，甚至能让应用重启。支持集群--集群缓存数据能被单个的进行参数配置，不需要修改代码。缓存记录的过期--你可以有最大限度的控制缓存对象的过期，包括可插入式的刷新策略(如果默认性能不需要时)。

3．JCache

Java缓存新标准（javax.cache）

4．cache4j

cache4j是一个有简单API与实现快速的Java对象缓存。它的特性包括：在内存中进行缓存，设计用于多线程环境，两种实现：同步与阻塞，多种缓存清除策略：LFU, LRU, FIFO，可使用强引用。

5．ShiftOne

ShiftOne Java Object Cache是一个执行一系列严格的对象缓存策略的Java lib，就像一个轻量级的配置缓存工作状态的框架。

6．WhirlyCache

Whirlycache是一个快速的、可配置的、存在于内存中的对象的缓存。

四、LocalCache实现

1、LocalCache简介

LocalCache是一个精简版本地缓存组件，有以下特点：

1．有容量上限maxCapacity；
2．缓存达到容量上限时基于LRU策略来移除缓存元素；
3．缓存对象的生命周期（缓存失效时间）由调用方决定；
4．缓存对象失效后，将会有定时清理线程来清理掉，不会导致内存泄漏。
5．性能比Ehcache稍强。

2、总体设计

LocalCache总体设计：

1．缓存元素 CacheElement；
2．缓存容器 LRULinkedHashMap；
3．缓存接口 Cache；
4．缓存组件实现 LocalCache。

3、详细设计

1． CacheElement设计

/**
 * 缓存元素
 *
 */
public class CacheElement {
 private Object key;
 private Object value;
 private long createTime;
 private long lifeTime;
 private int hitCount;

 public CacheElement() {
 }

 public CacheElement(Object key ,Object value) {
 this.key = key;
 this.value = value;
 this.createTime = System.currentTimeMillis();
 }
 
 public Object getKey() {
 return key;
 }

 public void setKey(Object key) {
 this.key = key;
 }

 public Object getValue() {
 hitCount++;
 return value;
 }

 public void setValue(Object value) {
 this.value = value;
 }

 public long getCreateTime() {
 return createTime;
 }

 public void setCreateTime(long createTime) {
 this.createTime = createTime;
 }

 public int getHitCount() {
 return hitCount;
 }

 public void setHitCount(int hitCount) {
 this.hitCount = hitCount;
 }

 public long getLifeTime() {
 return lifeTime;
 }

 public void setLifeTime(long lifeTime) {
 this.lifeTime = lifeTime;
 }
 
 public boolean isExpired() {
 boolean isExpired = System.currentTimeMillis() - getCreateTime() > getLifeTime();
 return isExpired;
 }

 /*
 * (non-Javadoc)
 * @see java.lang.Object#toString()
 */
 public String toString() {
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 sb.append("[ key=").append(key).append(", isExpired=").append(isExpired())
  .append(", lifeTime=").append(lifeTime).append(", createTime=").append(createTime)
  .append(", hitCount=").append(hitCount)
  .append(", value=").append(value).append(" ]");
 return sb.toString();
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 * @see java.lang.Object#hashCode()
 */
 public final int hashCode(){
 if(null == key){
  return "".hashCode();
 }
 return this.key.hashCode();
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 * @see java.lang.Object#equals(java.lang.Object)
 */
 public final boolean equals(Object object) {
 if ((object == null) || (!(object instanceof CacheElement))) {
  return false;
 }

 CacheElement element = (CacheElement) object;
 if ((this.key == null) || (element.getKey() == null)) {
  return false;
 }

 return this.key.equals(element.getKey());
 }
}

2． LRULinkedHashMap实现

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * 实现 LRU策略的 LinkedHashMap
 *
 * @param 
 * @param 
 */
public class LRULinkedHashMap extends LinkedHashMap 
{ 
 protected static final long serialVersionUID = 2828675280716975892L;
 
 protected static final int DEFAULT_MAX_ENTRIES = 100;
 
 protected final int initialCapacity; 
 protected final int maxCapacity; 
 protected boolean enableRemoveEldestEntry = true;//是否允许自动移除比较旧的元素(添加元素时)
 
 protected static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.8f; 
 protected final Lock lock = new ReentrantLock(); 

  public LRULinkedHashMap(int initialCapacity) 
  { 
   this(initialCapacity, DEFAULT_MAX_ENTRIES);
  }
  
  public LRULinkedHashMap(int initialCapacity ,int maxCapacity) 
  { 
   //set accessOrder=true, LRU
    super(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR, true); 
    
    this.initialCapacity = initialCapacity; 
    this.maxCapacity = maxCapacity; 
  }

  /*
   *  (non-Javadoc)
   * @see java.util.LinkedHashMap#removeEldestEntry(java.util.Map.Entry)
   */
  protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry eldest) 
  { 
    return enableRemoveEldestEntry && ( size() > maxCapacity );
  } 

 /*
 *  (non-Javadoc)
 * @see java.util.LinkedHashMap#get(java.lang.Object)
 */
  public V get(Object key) 
  { 
    try { 
      lock.lock(); 
      return super.get(key); 
    } 
    finally { 
      lock.unlock(); 
    } 
  } 

  /*
   *  (non-Javadoc)
   * @see java.util.HashMap#put(java.lang.Object, java.lang.Object)
   */
  public V put(K key, V value) 
  { 
    try { 
      lock.lock(); 
      return super.put(key, value); 
    } 
    finally { 
      lock.unlock(); 
    } 
  } 
  
  /*
   * (non-Javadoc)
   * @see java.util.HashMap#remove(java.lang.Object)
   */
  public V remove(Object key) {
    try { 
      lock.lock();
      return super.remove(key);
    } 
    finally { 
      lock.unlock(); 
    }
  }
  
  /*
   * (non-Javadoc)
   * @see java.util.LinkedHashMap#clear()
   */
  public void clear() {
   try { 
       lock.lock();
       super.clear();
     } 
     finally { 
       lock.unlock();
     }
  }
  
  /*
   * (non-Javadoc)
   * @see java.util.HashMap#keySet()
   */
  public Set keySet() {
   try { 
      lock.lock();
      return super.keySet();
    } 
    finally { 
      lock.unlock();
    }
  }
  
  public boolean isEnableRemoveEldestEntry() {
 return enableRemoveEldestEntry;
 }
 public void setEnableRemoveEldestEntry(boolean enableRemoveEldestEntry) {
 this.enableRemoveEldestEntry = enableRemoveEldestEntry;
 }
 public int getInitialCapacity() {
 return initialCapacity;
 }
 public int getMaxCapacity() {
 return maxCapacity;
 }
}

3． Cache接口设计

/**
 * 缓存接口
 *
 */
public interface Cache {
 
 /**
 * 获取缓存
 * @param key
 * @return
 */
 public  T getCache(Object key);
 
 /**
 * 缓存对象
 * @param key
 * @param value
 * @param milliSecond 缓存生命周期(毫秒)
 */
 public void putCache(Object key, Object value ,Long milliSecond);
 
 /**
 * 缓存容器中是否包含 key 
 * @param key
 * @return
 */
 public boolean containsKey(Object key);
 
 /**
 * 缓存列表大小
 * @return
 */
 public int getSize();
 
 /**
 * 是否启用缓存
 */
 public boolean isEnabled();
 /**
 * 启用 或 停止
 * @param enable
 */
 public void setEnabled(boolean enabled);
 
 /**
 * 移除所有缓存
 */
 public void invalidateCaches();
 
 /**
 * 移除 指定key缓存
 * @param key
 */
 public void invalidateCache(Object key);
}

4． LocalCache实现

import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Random;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

/**
 * 本地缓存组件
 */
public class LocalCache implements Cache{
 private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());
 
 private LRULinkedHashMap cacheMap;
 
 protected boolean initFlag = false;//初始化标识
 
 protected final long defaultLifeTime = 5 * 60 * 1000;//5分钟
 protected boolean warnLongerLifeTime = false;
 
 protected final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 100;
 protected final int DEFAULT_MAX_CAPACITY = 100000;
 
 protected int initialCapacity = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//初始化缓存容量
 protected int maxCapacity = DEFAULT_MAX_CAPACITY;//最大缓存容量
 protected int timeout = 20;//存取缓存操作响应超时时间(毫秒数)
 
 private boolean enabled = true;
 
 private Thread gcThread = null;
 private String lastGCInfo = null;//最后一次GC清理信息{ size, removeCount, time ,nowTime}
 private boolean logGCDetail = false;//记录gc清理细节
 
 private boolean enableGC = true;//是否允许清理的缓存(添加元素时)
 private int gcMode = 0;//清理过期元素模式 { 0=迭代模式 ; 1=随机模式 }
 private int gcIntervalTime = 2 * 60 * 1000;//间隔时间(分钟)
 
 private boolean iterateScanAll = true;//是否迭代扫描全部
 private float gcFactor = 0.5F;//清理百分比
 private int maxIterateSize = DEFAULT_MAX_CAPACITY/2;//迭代模式下一次最大迭代数量
 private volatile int iterateLastIndex = 0;//最后迭代下标
 private int maxRandomTimes = 100;//随机模式下最大随机次数
 
 
 protected final static Random random = new Random();
 private static LocalCache instance = new LocalCache();
 public static LocalCache getInstance() {
 return instance;
 }
 private LocalCache(){
 this.init();
 }
 
 protected synchronized void init() {
 if(initFlag){
  logger.warn("init repeat.");
  return ;
 }
 
 this.initCache();
 
 this.startGCDaemonThread();
 
 initFlag = true;
 
 if(logger.isInfoEnabled()){
  logger.info("init -- OK");
 }
 }
 
 private void startGCDaemonThread(){
 if(initFlag){
  return ;
 }
 
 this.maxIterateSize = maxCapacity /2;
 try{
  this.gcThread = new Thread() {
  public void run() {
   logger.info("[" + (Thread.currentThread().getName()) + "]start...");
   //sleep
   try {
   Thread.sleep(getGcIntervalTime() < 30000 ? 30000 : getGcIntervalTime());
   } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
   }
   while( true ){
   //gc
   gc();
   //sleep
   try {
    Thread.sleep(getGcIntervalTime() < 30000 ? 30000 : getGcIntervalTime());
   } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
   }
   }
  }
  };
  this.gcThread.setName("localCache-gcThread");
  this.gcThread.setDaemon(true);
  this.gcThread.start();
  
  if(logger.isInfoEnabled()){
  logger.info("startGCDaemonThread -- OK");
  }
 }catch(Exception e){
  logger.error("[localCache gc]DaemonThread -- error: " + e.getMessage(), e);
 }
 }
 
 private void initCache(){
 if(initFlag){
  return ;
 }
 
 initialCapacity = (initialCapacity <= 0 ? DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : initialCapacity);
 maxCapacity = (maxCapacity < initialCapacity ? DEFAULT_MAX_CAPACITY : maxCapacity);
 
 cacheMap = new LRULinkedHashMap(initialCapacity ,maxCapacity);
 
 if(logger.isInfoEnabled()){
  logger.info("initCache -- OK");
 }
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public  T getCache(Object key) {
 if(!isEnabled()){
  return null;
 }
 long st = System.currentTimeMillis();
 
 T objValue = null;
 CacheElement cacheObj = cacheMap.get(key);
 
 if (isExpiredCache(cacheObj)) {
  cacheMap.remove(key);
 }else {
  objValue = (T) (cacheObj == null ? null : cacheObj.getValue());
 }
 
 long et = System.currentTimeMillis();
 if((et - st)>timeout){
  if(this.logger.isWarnEnabled()){
  this.logger.warn("getCache_timeout_" + (et - st) + "_[" + key + "]");
  }
 }
 
 if(logger.isDebugEnabled()){
  String message = ("get( " + key + ") return: " + objValue);
  logger.debug(message);
 }
 return objValue;
 }

 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public void putCache(Object key, Object value ,Long lifeTime) {
 if(!isEnabled()){
  return;
 }
 Long st = System.currentTimeMillis();
 
 lifeTime = (null == lifeTime ? defaultLifeTime : lifeTime);
 CacheElement cacheObj = new CacheElement();
 cacheObj.setCreateTime(System.currentTimeMillis());
 cacheObj.setLifeTime(lifeTime);
 cacheObj.setValue(value);
 cacheObj.setKey(key);
 cacheMap.put(key, cacheObj);
 
 long et = System.currentTimeMillis();
 if((et - st)>timeout){
  if(this.logger.isWarnEnabled()){
  this.logger.warn("putCache_timeout_" + (et - st) + "_[" + key + "]");
  }
 }
 
 if(logger.isDebugEnabled()){
  String message = ("putCache( " + cacheObj + " ) , 耗时 " + (et - st) + "(毫秒).");
  logger.debug(message);
 }
 if(lifeTime > defaultLifeTime && this.isWarnLongerLifeTime()){
  if(logger.isWarnEnabled()){
  String message = ("LifeTime[" + (lifeTime/1000) + "秒] too long for putCache(" + cacheObj + ")");
  logger.warn(message);
  }
 }
 }
 
 /**
 * key 是否过期
 * @param key
 * @return
 */
 protected boolean isExpiredKey(Object key) {
 CacheElement cacheObj = cacheMap.get(key);
 return this.isExpiredCache(cacheObj);
 }
 
 /**
 * cacheObj 是否过期
 * @param key
 * @return
 */
 protected boolean isExpiredCache(CacheElement cacheObj) {
 if (cacheObj == null) {
  return false;
 }
 return cacheObj.isExpired();
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public void invalidateCaches(){
 try{
  cacheMap.clear();
 }catch(Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public void invalidateCache(Object key){
 try{
  cacheMap.remove(key);
 }catch(Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 }
 
 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public boolean containsKey(Object key) {
 return cacheMap.containsKey(key);
 }

 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public int getSize() {
 return cacheMap.size();
 }

 /*
 * (non-Javadoc)
 */
 public Iterator

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