测试覆盖率基于 Spring Cache 实现 Caffeine、jimDB 多级缓存实战

京东云开发者 · 2023年01月31日 · 最后由京东云开发者回复于 2023年02月03日 · 6941 次阅读

作者：京东零售王震

背景

在早期参与涅槃氛围标签中台项目中，前台要求接口性能 999 要求 50ms 以下，通过设计 Caffeine、ehcache 堆外缓存、jimDB 三级缓存，利用内存、堆外、jimDB 缓存不同的特性提升接口性能，

内存缓存采用 Caffeine 缓存，利用 W-TinyLFU 算法获得更高的内存命中率；同时利用堆外缓存降低内存缓存大小，减少 GC 频率，同时也减少了网络 IO 带来的性能消耗；利用 JimDB 提升接口高可用、高并发；后期通过压测及性能调优 999 性能<20ms

当时由于项目工期紧张，三级缓存实现较为臃肿、业务侵入性强、可读性差，在近期场景化推荐项目中，为 B 端商家场景化资源投放推荐，考虑到 B 端流量相对 C 端流量较小，但需保证接口性能稳定。采用 SpringCache 实现 caffeine、jimDB 多级缓存方案，实现了低侵入性、可扩展、高可用的缓存方案，极大提升了系统稳定性，保证接口性能小于 100ms；

Spring Cache 实现多级缓存

多级缓存实例 MultilevelCache

/**
 * 分级缓存
 * 基于Caffeine + jimDB 实现二级缓存
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public class MultilevelCache extends AbstractValueAdaptingCache {

    /**
     * 缓存名称
     */
    private String name;

    /**
     * 是否开启一级缓存
     */
    private boolean enableFirstCache = true;

    /**
     * 一级缓存
     */
    private Cache firstCache;

    /**
     * 二级缓存
     */
    private Cache secondCache;

    @Override
    protected Object lookup(Object key) {
        Object value;
        recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_GET_CACHE, UMP_ALL));
        if(enableFirstCache){
            //查询一级缓存
            value = getWrapperValue(getForFirstCache(key));
            log.info("{}#lookup getForFirstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
            if(value != null){
                return value;
            }
        }
        value = getWrapperValue(getForSecondCache(key));
        log.info("{}#lookup getForSecondCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
        //二级缓存不为空，则更新一级缓存
        boolean putFirstCache = (Objects.nonNull(value) || isAllowNullValues()) && enableFirstCache;
        if(putFirstCache){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
            log.info("{}#lookup put firstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
            firstCache.put(key, value);
        }
        return value;
    }


    @Override
    public void put(Object key, Object value) {
        if(enableFirstCache){
            checkFirstCache();
            firstCache.put(key, value);
        }
        secondCache.put(key, value);
    }

    /**
     * 查询一级缓存
     * @param key
     * @return
     */
    private ValueWrapper getForFirstCache(Object key){
        checkFirstCache();
        ValueWrapper valueWrapper = firstCache.get(key);
        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
        }
        return valueWrapper;
    }

    /**
     * 查询二级缓存
     * @param key
     * @return
     */
    private ValueWrapper getForSecondCache(Object key){
        ValueWrapper valueWrapper = secondCache.get(key);
        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_SECOND_CACHE, UMP_NO_HIT));
        }
        return valueWrapper;
    }

    private Object getWrapperValue(ValueWrapper valueWrapper){
        return Optional.ofNullable(valueWrapper).map(ValueWrapper::get).orElse(null);
    }

}

多级缓存管理器抽象

/**
 * 多级缓存实现抽象类
 * 一级缓存
 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getFirstCache(String)
 * 二级缓存
 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getSecondCache(String)
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public abstract class AbstractMultilevelCacheManager implements CacheManager {

    private final ConcurrentMap<String, MultilevelCache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

    /**
     * 是否动态生成
     * @see MultilevelCache
     */
    protected boolean dynamic = true;
    /**
     * 默认开启一级缓存
     */
    protected boolean enableFirstCache = true;
    /**
     * 是否允许空值
     */
    protected boolean allowNullValues = true;

    /**
     * ump监控前缀 不设置不开启监控
     */
    private String umpKeyPrefix;


    protected MultilevelCache createMultilevelCache(String name) {
        Assert.hasLength(name, "createMultilevelCache name is not null");
        MultilevelCache multilevelCache = new MultilevelCache(allowNullValues);
        multilevelCache.setName(name);
        multilevelCache.setUmpKeyPrefix(this.umpKeyPrefix);
        multilevelCache.setEnableFirstCache(this.enableFirstCache);
        multilevelCache.setFirstCache(getFirstCache(name));
        multilevelCache.setSecondCache(getSecondCache(name));
        return multilevelCache;
    }


    @Override
    public Cache getCache(String name) {
        MultilevelCache cache = this.cacheMap.get(name);
        if (cache == null && dynamic) {
            synchronized (this.cacheMap) {
                cache = this.cacheMap.get(name);
                if (cache == null) {
                    cache = createMultilevelCache(name);
                    this.cacheMap.put(name, cache);
                }
                return cache;
            }
      }
      return cache;
    }

    @Override
    public Collection<String> getCacheNames() {
        return Collections.unmodifiableSet(this.cacheMap.keySet());
    }

    /**
     * 一级缓存
     * @param name
     * @return
     */
    protected abstract Cache getFirstCache(String name);

    /**
     * 二级缓存
     * @param name
     * @return
     */
    protected abstract Cache getSecondCache(String name);

    public boolean isDynamic() {
        return dynamic;
    }

    public void setDynamic(boolean dynamic) {
        this.dynamic = dynamic;
    }

    public boolean isEnableFirstCache() {
        return enableFirstCache;
    }

    public void setEnableFirstCache(boolean enableFirstCache) {
        this.enableFirstCache = enableFirstCache;
    }

    public String getUmpKeyPrefix() {
        return umpKeyPrefix;
    }

    public void setUmpKeyPrefix(String umpKeyPrefix) {
        this.umpKeyPrefix = umpKeyPrefix;
    }
}

基于 jimDB Caffiene 缓存实现多级缓存管理器


/**
 * 二级缓存实现
 * caffeine + jimDB 二级缓存
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
public class CaffeineJimMultilevelCacheManager extends AbstractMultilevelCacheManager {

    private CaffeineCacheManager caffeineCacheManager;

    private JimCacheManager jimCacheManager;

    public CaffeineJimMultilevelCacheManager(CaffeineCacheManager caffeineCacheManager, JimCacheManager jimCacheManager) {
        this.caffeineCacheManager = caffeineCacheManager;
        this.jimCacheManager = jimCacheManager;
        caffeineCacheManager.setAllowNullValues(this.allowNullValues);
    }

    /**
     * 一级缓存实现
     * 基于caffeine实现
     * @see org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache
     * @param name
     * @return
     */
    @Override
    protected Cache getFirstCache(String name) {
        if(!isEnableFirstCache()){
            return null;
        }
        return caffeineCacheManager.getCache(name);
    }

    /**
     * 二级缓存基于jimDB实现
     * @see com.jd.jim.cli.springcache.JimStringCache
     * @param name
     * @return
     */
    @Override
    protected Cache getSecondCache(String name) {
        return jimCacheManager.getCache(name);
    }
}

缓存配置

/**
 * @author wangzhen520
 * @date 2022/12/9
 */
@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfiguration {

    /**
     * 基于caffeine + JimDB 多级缓存Manager
     * @param firstCacheManager
     * @param secondCacheManager
     * @return
     */
    @Primary
    @Bean(name = "caffeineJimCacheManager")
    public CacheManager multilevelCacheManager(@Param("firstCacheManager") CaffeineCacheManager firstCacheManager,
                                               @Param("secondCacheManager") JimCacheManager secondCacheManager){
        CaffeineJimMultilevelCacheManager cacheManager = new CaffeineJimMultilevelCacheManager(firstCacheManager, secondCacheManager);
        cacheManager.setUmpKeyPrefix(String.format("%s.%s", UmpConstants.Key.PREFIX, UmpConstants.SYSTEM_NAME));
        cacheManager.setEnableFirstCache(true);
        cacheManager.setDynamic(true);
        return cacheManager;
    }

    /**
     * 一级缓存Manager
     * @return
     */
    @Bean(name = "firstCacheManager")
    public CaffeineCacheManager firstCacheManager(){
        CaffeineCacheManager firstCacheManager = new CaffeineCacheManager();
        firstCacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(firstCacheInitialCapacity)
                .maximumSize(firstCacheMaximumSize)
                .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(firstCacheDurationSeconds)));
        firstCacheManager.setAllowNullValues(true);
        return firstCacheManager;
    }

    /**
     * 初始化二级缓存Manager
     * @param jimClientLF
     * @return
     */
    @Bean(name = "secondCacheManager")
    public JimCacheManager secondCacheManager(@Param("jimClientLF") Cluster jimClientLF){
        JimDbCache jimDbCache = new JimDbCache<>();
        jimDbCache.setJimClient(jimClientLF);
        jimDbCache.setKeyPrefix(MultilevelCacheConstants.SERVICE_RULE_MATCH_CACHE);
        jimDbCache.setEntryTimeout(secondCacheExpireSeconds);
        jimDbCache.setValueSerializer(new JsonStringSerializer(ServiceRuleMatchResult.class));
        JimCacheManager secondCacheManager = new JimCacheManager();
        secondCacheManager.setCaches(Arrays.asList(jimDbCache));
        return secondCacheManager;
    }

接口性能压测

压测环境

廊坊4C8G * 3

压测结果

1、50 并发时，未开启缓存，压测 5min，TP99: 67ms，TP999: 223ms，TPS：2072.39 笔/秒，此时服务引擎 cpu 利用率 40% 左右；订购履约 cpu 利用率 70% 左右，磁盘使用率 4min 后被打满；

2、50 并发时，开启二级缓存，压测 10min，TP99: 33ms，TP999: 38ms，TPS：28521.18.笔/秒，此时服务引擎 cpu 利用率 90% 左右，订购履约 cpu 利用率 10% 左右，磁盘使用率 3% 左右；

缓存命中分析

总调用次数：1840486/min 一级缓存命中：1822820 /min 二级缓存命中：14454/min

一级缓存命中率：99.04%

二级缓存命中率：81.81%

压测数据

未开启缓存

开启多级缓存

监控数据

未开启缓存

下游应用由于 4 分钟后磁盘打满，性能到达瓶颈

接口 UMP

服务引擎系统

订购履约系统

开启缓存

上游系统 CPU 利用率 90% 左右，下游系统调用量明显减少，CPU 利用率仅 10% 左右

接口 UMP

服务引擎系统

订购履约系统：

共收到 2 条回复时间点赞

Hugo #1 · 2023年02月02日

请教下，多级缓存的数据一致性，刷新的时机具体是怎么应用的呢？

京东云开发者 #1 · 2023年02月03日 Author

对

Hugo 回复

利用 binlog 触发或者主动更新缓存保证最终一致性就好，缓存刷新时机需要根据实际业务来选择

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测试覆盖率 基于 Spring Cache 实现 Caffeine、jimDB 多级缓存实战

测试覆盖率 基于 Spring Cache 实现 Caffeine、jimDB 多级缓存实战

作者： 京东零售 王震

背景

Spring Cache 实现多级缓存

多级缓存实例 MultilevelCache

多级缓存管理器抽象

基于 jimDB Caffiene 缓存实现多级缓存管理器

缓存配置

接口性能压测

压测环境

压测结果

缓存命中分析

压测数据

未开启缓存

开启多级缓存

监控数据

未开启缓存

接口 UMP

服务引擎系统

订购履约系统

开启缓存

接口 UMP

服务引擎系统

订购履约系统：

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作者：京东零售王震