那些年我们一起追过的缓存写法(三)

上次我们说了多级缓存,本章详细介绍下内存缓存该如何设计。

一:分析设计

假设有个项目有一定并发量,要用到多级缓存,如下:

那些年我们一起追过的缓存写法(三)

在实际设计一个内存缓存前,我们需要考虑的问题:

1:内存与Redis的数据置换,尽可能在内存中提高数据命中率,减少下一级的压力。

2:内存容量的限制,需要控制缓存数量。

3:热点数据更新不同,需要可配置单个key过期时间。

4:良好的缓存过期删除策略。

5:缓存数据结构的复杂度尽可能的低。

关于置换及命中率:我们采用LRU算法,因为它实现简单,缓存key命中率也很好。

LRU即是:把最近最少访问的数据给淘汰掉,经常被访问到即是热点数据。

关于LRU数据结构:因为key优先级提升和key淘汰,所以需要顺序结构。我看到大多实现,都采用链表结构、

即:新数据插入到链表头部、被命中时的数据移动到头部。 添加复杂度O(1)  移动和获取复杂度O(N)。

有没复杂度更低的呢? 有Dictionary,复杂度为O(1),性能最好。 那如何保证缓存的优先级提升呢?

二:O(1)LRU实现

我们定义个LRUCache<TValue>类,构造参数maxKeySize 来控制缓存最大数量。

使用ConcurrentDictionary来作为我们的缓存容器,并能保证线程安全。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
publicclassLRUCache<TValue> : IEnumerable<KeyValuePair<string, TValue>>
   {
       privatelongageToDiscard =0; //淘汰的年龄起点
       privatelongcurrentAge =0;       //当前缓存最新年龄
       privateintmaxSize =0;         //缓存最大容量
       privatereadonly ConcurrentDictionary<string, TrackValue> cache;
       publicLRUCache(intmaxKeySize)
       {
           cache =newConcurrentDictionary<string, TrackValue>();
           maxSize = maxKeySize;
       }
   }

上面定义了 ageToDiscard、currentAge 这2个自增值参数,作用是:标记缓存列表中各个key的新旧程度。

核心实现步骤如下:

1:每次添加key时,currentAge自增并将currentAge值分配给这个缓存值的Age,currentAge始终增加。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
publicvoidAdd(string key, TValue value)
       {
           Adjust(key);
           var result =newTrackValue(this, value);
           cache.AddOrUpdate(key, result, (k, o) => result);
       }
       publicclassTrackValue
       {
           publicreadonly TValue Value;
           publiclongAge;
           publicTrackValue(LRUCache<TValue> lv, TValue tv)
           {
               Age = Interlocked.Increment(ref lv.currentAge);
               Value = tv;
           }
       }

2:在添加时,如超过最大数量。检查字典里是否有ageToDiscard年龄的key,如没有循环自增检查,有则删除、添加成功。

ageToDiscard+maxSize= currentAge ,这样设计就能在O(1)下保证可以淘汰旧数据,而不是使用链表移动。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
publicvoidAdjust(string key)
        {
            while(cache.Count >= maxSize)
            {
                longageToDelete = Interlocked.Increment(ref ageToDiscard);
                var toDiscard =
                      cache.FirstOrDefault(p => p.Value.Age == ageToDelete);
                if(toDiscard.Key ==null)
                    continue;
                TrackValue old;
                cache.TryRemove(toDiscard.Key, out old);
            }
        }

过期删除策略

大多数情况下,LRU算法对热点数据命中率是很高的。 但如果突然大量偶发性的数据访问,会让内存中存放大量冷数据,也就是缓存污染。

会引起LRU无法命中热点数据,导致缓存系统命中率急剧下降。也可以使用LRU-K、2Q、MQ等变种算法来提高命中率。

过期配置

1:我们通过设定、最大过期时间来尽量避免冷数据常驻内存。

2:大多数情况每个缓存的时间要求不一致的,所以在增加单个key的过期时间。

1
2
3
4
5
6
privateTimeSpan maxTime;
publicLRUCache(intmaxKeySize,TimeSpan maxExpireTime){}
 
 //TrackValue增加创建时间和过期时间
publicreadonly DateTime CreateTime;
publicreadonly TimeSpan ExpireTime;

删除策略

1:关于key过期删除,最好使用定时删除了。 这样可以最快释放被占用的内存,但很明显,大量的定时器对CPU吃不消的。

2:所以我们采用惰性删除、在获取key的时检查是否过期,过期直接删除。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
publicTuple<TrackValue, bool> CheckExpire(string key)
        {
            TrackValue result;
            if(cache.TryGetValue(key, out result))
            {
                var age = DateTime.Now.Subtract(result.CreateTime);
                if(age >= maxTime || age >= result.ExpireTime)
                {
                    TrackValue old;
                    cache.TryRemove(key, out old);
                    returnTuple.Create(default(TrackValue),false);
                }
            }
            returnTuple.Create(result,true);
        }

3:惰性删除虽然性能最好,对于冷数据来说,还是没解决缓存污染问题。  所以我们还需定期清理。

比如:开个线程,5分钟去遍历检查key一次。这个策略根据实际场景可配置。

1
2
3
4
5
6
7
publicvoidInspection()
        {
            foreach (var item inthis)
            {
                CheckExpire(item.Key);
            }
        }

惰性删除+定期删除基本能满足我们需求了。

总结

如果继续完善下去,就是内存数据库的雏形,类似redis。

比如:增加删除key的通知,增加更多数据类型。 本篇也是参考了redis、Orleans的实现。

原创文章,作者:stanley,如若转载,请注明出处:http://www.178linux.com/688

(0)
stanleystanley
上一篇 2015-03-04 13:29
下一篇 2015-03-04 14:56

相关推荐

  • 配置LAMP服务器网站架构

    配置LAMP服务器网站架构 LAMP指的Linux(操作系统)、ApacheHTTP 服务器,MySQL(有时也指MariaDB,数据库软件) 和PHP(有时也是指Perl或Python) 的第一个字母,一般用来建立web应用平台。 结构拓扑 httpd服务器配置 安装环境 yum install httpd -y 修改httpd配置 vim /etc/ht…

    2017-06-06
  • GlusterFS测试报告-02(结合samba为windows提供服务)

    在挂载glusterFS的客户机的目录下,使用samba分享给windows机器使用 1、samba服务的安装 [root@client01 ~]# yum -y install samba [root@client01 ~]# /etc/init.d/smb restart S…

    Linux干货 2016-07-22
  • Shell脚本编程 流程控制—选择

    流程控制可根据不同的情况做不同的处理,而且可重复执行指定的程序区域,在shell bash中流程控制可分为两大类: "选择"和"循环" 1.选择:if、case、select 2.循环:for、while、until、select 命令结束状态返回值: 在shell中命令执行状态返回值分两种,成功和失败,0表示成功,非…

    Linux干货 2016-08-24
  • mount挂载

    mount 1 挂载mount                                               &nb…

    Linux干货 2017-04-24
  • 谷歌三大核心技术(一)The Google File System中文版

    摘要 我们设计并实现了Google GFS文件系统,一个面向大规模数据密集型应用的、可伸缩的分布式文件系统。GFS虽然运行在廉价的普遍硬件设备上,但是它依然了提供灾难冗余的能力,为大量客户机提供了高性能的服务。 虽然GFS的设计目标与许多传统的分布式文件系统有很多相同之处,但是,我们的设计还是以我们对自己的应用的负载情况和技术环境的分析为基础的,不管现在还是…

    Linux干货 2015-04-13
  • Linux下XFS、Ext2文件系统对比、文件管理、inode、文件名、标准I/O、管道|tee、tr -cs blog by fazionlan July.31st

    Linux下XFS、Ext2文件系统对比、文件管理、inode、文件名、标准I/O Ext2、Fat、XFS文件系统   文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制,文件系统的创建是在格式化分区的过程中完成的(一个分区就是一个系统),众所周知Windows操作系统使用的文件系统是FAT与NTFS;Linux不同的发行版本使用的文件系统主…

    Linux干货 2016-08-01