SpringBoot系列——使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存

1. 前言

在现代应用程序中，查询缓存的使用已经变得越来越普遍。它不仅能够显著提高系统的性能，还能提升用户体验。缓存通过在内存中存储频繁访问的数据，减少对数据库或其他存储系统的访问，从而加快数据读取速度。在这篇文章中，我们将探讨缓存的基本概念、重要性以及如何使用Spring Cache和Redis实现查询数据缓存 。

2. 缓存

2.1 什么是缓存

缓存是一种临时存储机制，用于在内存中保存频繁访问的数据。它可以是硬件（如CPU缓存）或软件（如应用程序缓存）。缓存的主要目的是通过减少数据访问的延迟，提高系统的响应速度。以下是缓存的一些关键特性：

• 临时性：缓存中的数据通常是临时的，会在一段时间后失效或被替换。
• 快速访问：由于缓存数据存储在内存中，访问速度非常快。
• 空间有限：缓存的存储空间通常有限，因此需要有效的管理策略，如LRU（最近最少使用）策略。

2.2 使用缓存的好处

1. 提高性能：缓存可以显著减少数据读取的时间，因为内存访问速度比硬盘或网络存储快很多。
2. 减轻数据库负载：缓存可以减少数据库的查询次数，从而减轻数据库的负载，提升整体系统的稳定性和可扩展性。
3. 节省资源：通过减少对后端系统的访问，缓存可以帮助节省带宽和计算资源。
4. 提高用户体验：快速的数据访问可以显著提升用户体验，特别是在需要频繁读取数据的应用场景中。

2.3 缓存的成本

1. 内存消耗：缓存需要占用系统的内存资源，过多的缓存可能会影响其他应用程序的性能。
2. 数据一致性：缓存中的数据可能会与数据库中的数据不一致，尤其是在数据频繁更新的场景中。需要设计有效的缓存失效策略来保证数据的一致性。
3. 复杂性增加：引入缓存机制会增加系统的复杂性，需要处理缓存的管理、更新和失效等问题。
4. 维护成本：缓存系统需要定期监控和维护，以确保其高效运行。

2.4 Spring Cache和Redis的优点

为了实现高效的数据缓存，Spring Boot提供了Spring Cache模块，而Redis则是一个强大的缓存数据库。结合使用Spring Cache和Redis，能够充分发挥二者的优点，实现高效的数据缓存。

• Spring Cache的优点：
  • 简化缓存操作：Spring Cache提供了一系列注解（如@Cacheable、@CachePut、@CacheEvict），简化了缓存的使用，使开发者能够专注于业务逻辑。
  • 灵活的缓存管理：Spring Cache支持多种缓存提供者（如EhCache、Hazelcast、Redis等），可以根据具体需求选择合适的缓存实现。
  • 透明的缓存机制：Spring Cache使得缓存操作对业务代码透明，开发者无需关心缓存的具体实现细节。
• Redis的优点：
  • 高性能：由于数据存储在内存中，Redis的读写速度非常快，能够处理每秒数百万级别的请求。
  • 丰富的数据结构：Redis支持多种数据结构，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等，能够满足不同场景下的数据存储需求。
  • 持久化支持：虽然Redis主要用于内存存储，但它也提供了数据持久化的功能，可以将数据定期保存到磁盘，防止数据丢失。
  • 分布式支持：Redis支持主从复制、哨兵模式和集群模式，能够实现高可用性和数据的水平扩展。
  • 灵活的过期策略：Redis支持为每个键设置过期时间，自动删除过期数据，方便实现缓存失效策略。

3. Spring Cache基础知识

在Spring Boot中，Spring Cache提供了一套简洁且强大的缓存抽象机制，帮助开发者轻松地将缓存集成到应用程序中。以下是Spring Cache的一些核心概念和常用注解。

3.1 Spring Cache的核心概念

1. CacheManager

   • 定义：CacheManager是Spring Cache的核心接口，负责管理多个缓存实例。它是缓存操作的入口点，提供了获取和操作缓存实例的方法。
   • 实现：Spring提供了多种CacheManager实现，如ConcurrentMapCacheManager、EhCacheCacheManager、RedisCacheManager等。不同的实现适用于不同的缓存存储机制。

2. Cache

   • 定义：Cache是缓存的具体实现，负责存储和检索缓存数据。它提供了基本的缓存操作，如put、get、evict等。
   • 实现：具体的Cache实现依赖于底层的缓存存储机制，如内存缓存、Redis缓存等。

3.2 Spring Cache的注解

3.2.1 SpEL表达式

因为Spring Cache使用SpEL表达式来动态生成缓存键，所以在学习Spring Cache的注解之前我们还要先简单了解一下SpEL表达式的语法，这部分可以先不看懂，在后面看注解的时候回来看即可。

SpEL表达式的语法类似于Java的表达式语法，支持以下几种操作：

1. 字面量：
   • 数字：1, 2.5
   • 字符串：'hello', "world"
   • 布尔值：true, false
   • 空值：null
2. 属性和方法：
   • 访问对象的属性：#user.name
   • 调用对象的方法：#user.getName()
3. 运算符：
   • 算术运算：+, -, *, /, %
   • 比较运算：==, !=, <, >, <=, >=
   • 逻辑运算：&&, ||, !
4. 集合和数组：
   • 访问集合元素：#users[0]
   • 集合操作：#users.size(), #users.isEmpty()
5. 条件运算符：
   • 三元运算符：condition ? trueValue : falseValue
   • Elvis运算符：expression ?: defaultValue
6. 变量：
   • 定义和使用变量：#variableName

接下来进入Spring Cache注解的学习：

3.2.2 @Cacheable

• 作用：@Cacheable注解用于标注需要缓存的方法。当该方法被调用时，Spring Cache会先检查缓存中是否存在对应的数据。如果存在，则直接返回缓存数据；如果不存在，则执行方法并将结果存入缓存。
• 示例：

  @RestController("/users")
  @RequiredArgsConstructor
  public class UserController {
  
      private final UserService userService;
      
      @Cacheable(value = "user", key = "#id")
      public User getUser(Long id) {
          // 获取用户的逻辑
          return userService.findById(id);
      }
  }
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• 参数：
  • value：指定缓存的名称。
  • key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。

3.2.3 @CachePut

• 作用：@CachePut注解用于标注需要更新缓存的方法。即使缓存中已经存在数据，该方法仍然会执行，并将结果更新到缓存中。
• 示例：

  @RestController("/users")
  @RequiredArgsConstructor
  public class UserController {
  
      private final UserService userService;
      
      @CachePut(value = "user", key = "#user.id")
      public User updateUser(User user) {
          // 更新用户的逻辑
          return userService.save(user);
      }
  }
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• 参数：
  • value：指定缓存的名称。
  • key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。

3.2.4 @CacheEvict

• 作用：@CacheEvict注解用于标注需要清除缓存的方法。当该方法被调用时，Spring Cache会清除对应的缓存数据。
• 示例：

  @RestController("/users")
  @RequiredArgsConstructor
  public class UserController {
  
      private final UserService userService;
      
      @CacheEvict(value = "user", key = "#id")
      public void deleteUser(Long id) {
          // 删除用户的逻辑
          userService.deleteById(id);
      }
  }
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• 参数：
  • value：指定缓存的名称。
  • key：指定缓存的键，可以使用SpEL表达式。
  • allEntries：如果设置为true，则清除缓存中的所有数据。

4. 实现查询数据缓存

4.1 准备工作

1. Redis安装与配置：

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