使用 Spring Boot Cache 优化数据查询：先验证缓存，再查询数据库（缓存.数据查询.验证.优化.数据库...）

使用 spring boot cache 优化数据查询：先验证缓存，再查询数据库

本文旨在探讨如何利用 Spring Boot Cache 实现更高效的数据查询，特别是针对先验证缓存中是否存在所需数据，若缺失再从数据库中获取的场景。我们将深入分析 Spring Cache 的工作原理，并提供一种实现方案，帮助开发者在保证数据一致性的前提下，提升应用程序的性能。

Spring Cache 的局限性

Spring Cache 提供了一种声明式的缓存机制，通过注解简化了缓存的使用。然而，对于“先查缓存，缺失再查数据库”的需求，Spring Cache 默认的行为存在一些局限性。

假设我们有一个 Student 实体，需要根据 ID 集合查询学生信息，并进行缓存。

@Cacheable("students")
List<Student> findByIds(Set<Integer> ids) {
    // 从数据库查询
    return studentRepository.findByIdIn(ids);
}

这段代码看似简单，但存在以下问题：

全有或全无： findByIds 方法要么完全从缓存中获取数据（如果缓存中存在对应的 key），要么完全执行数据库查询。无法实现只查询缓存中不存在的 ID 对应的数据。
Key 的问题：默认情况下，Spring Cache 使用方法的所有参数作为 key。这意味着，只有当传入的 ID 集合完全一致时，才会命中缓存。即使缓存中已经存在部分 ID 对应的数据，仍然会执行完整的数据库查询。
单 Key 访问： Spring 的 Cache 接口只支持单 Key 的访问，无法批量从缓存中获取数据。

实现方案：自定义缓存逻辑

为了解决上述问题，我们需要自定义缓存逻辑，手动控制缓存的读取和写入。以下是一种可行的方案：

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import org.springframework.cache.Cache;
import org.springframework.cache.CacheManager;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;

@Service
public class StudentService {

    private final StudentRepository studentRepository;
    private final CacheManager cacheManager;

    public StudentService(StudentRepository studentRepository, CacheManager cacheManager) {
        this.studentRepository = studentRepository;
        this.cacheManager = cacheManager;
    }

    public List<Student> findByIdsWithCache(Set<Integer> ids) {
        Cache cache = cacheManager.getCache("students");
        List<Student> result = new ArrayList<>();
        Set<Integer> idsToQuery = new HashSet<>(ids);

        // 1. 从缓存中获取数据
        for (Integer id : ids) {
            Cache.ValueWrapper wrapper = cache.get(id);
            if (wrapper != null) {
                Student student = (Student) wrapper.get();
                result.add(student);
                idsToQuery.remove(id); // 从待查询 ID 集合中移除已缓存的 ID
            }
        }

        // 2. 查询数据库
        if (!idsToQuery.isEmpty()) {
            List<Student> dbResults = studentRepository.findByIdIn(idsToQuery);
            result.addAll(dbResults);

            // 3. 将数据库查询结果写入缓存
            for (Student student : dbResults) {
                cache.put(student.getId(), student);
            }
        }

        return result;
    }
}

代码解释：

获取 Cache 对象：通过 CacheManager 获取名为 "students" 的 Cache 对象。
从缓存中获取数据：遍历 ID 集合，尝试从缓存中获取对应的 Student 对象。如果缓存命中，则将 Student 对象添加到结果列表中，并将该 ID 从待查询 ID 集合 idsToQuery 中移除。
查询数据库：如果 idsToQuery 不为空，则说明缓存中缺少部分数据，需要从数据库中查询。
将数据库查询结果写入缓存：将从数据库查询到的 Student 对象写入缓存，以便下次查询时可以直接从缓存中获取。

注意事项：

缓存 Key 的选择：在这个例子中，我们使用 Student 对象的 ID 作为缓存 Key。这是一种常见的做法，可以方便地根据 ID 查询缓存。
缓存穿透：如果数据库中不存在某个 ID 对应的数据，那么每次查询都会访问数据库，导致缓存穿透。为了避免这种情况，可以考虑使用布隆过滤器或者缓存空对象。
缓存雪崩：如果大量的缓存 Key 同时失效，会导致大量的请求直接访问数据库，造成数据库压力过大。为了避免这种情况，可以考虑使用随机过期时间或者互斥锁。
缓存一致性：当数据库中的数据发生变化时，需要及时更新缓存，以保证数据一致性。可以使用 Spring 的 @CacheEvict 注解或者手动更新缓存。
并发问题：在高并发环境下，可能会出现多个线程同时查询数据库的情况。为了避免这种情况，可以使用分布式锁或者乐观锁。

总结

Spring Cache 是一个强大的缓存工具，可以帮助我们提升应用程序的性能。然而，对于一些复杂的缓存需求，我们需要自定义缓存逻辑，手动控制缓存的读取和写入。通过合理地选择缓存 Key、避免缓存穿透和雪崩、保证缓存一致性，我们可以充分利用 Spring Cache 的优势，构建高性能的应用程序。

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