如何实现本地缓存

什么是本地缓存

本地缓存是一种数据存储技术，它将数据暂时存储在本地的物理内存（如RAM）或者其他快速访问的存储介质中，以便快速检索，减少对远程数据源（如数据库或外部API）的访问需求。这种技术能够显著提升数据读取速度，降低网络延迟，减少外部系统负载，并提高应用程序的整体性能和响应能力。

本地缓存的关键特点包括：

数据临时性：缓存在本地存储的数据不是永久性的，可能会根据缓存策略（如过期时间、最大容量等）被替换或清除。
访问速度：由于数据存储在本地内存中，访问速度远快于从硬盘或通过网络获取数据。
适用场景：适用于单个应用程序实例或无需跨多个服务器共享数据的场景。对于分布式系统，可能需要配合分布式缓存来确保数据的一致性和可用性。
实现方式：可以通过多种方式实现，包括使用编程语言提供的基础数据结构（如Java中的HashMap）、专门的缓存库（如Guava Cache、Caffeine、Ehcache）或内存数据库（如Redis，尽管Redis通常用于分布式缓存，也可配置为本地缓存）。
管理策略：通常包含缓存项的添加、读取、更新和删除策略，以及缓存命中率优化、过期策略（如LRU、LFU）、容量限制和数据淘汰机制。

如何实现

基于Caffeine实现本地缓存

import com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache;
import com.github.benmanes.caffeine.cache.Caffeine;
import org.springframework.beans.factory.InitializingBean;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 本地缓存工具
 *
 */
@Component
public class LocalCacheManager implements InitializingBean {

    private Cache<String, String> localCache;

    /**
     * 向缓存中保存数据，如果已经存在则不覆盖
     */
    public void putIfNotExist(String key, String value) {
        if (localCache.getIfPresent(key) == null) {
            localCache.put(key, value);
        }
    }

    /**
     * 根据key获取缓存数据
     *
     * @param key
     */
    public String get(String key) {
        return localCache.getIfPresent(key);
    }

    public void del(String key) {
        localCache.invalidate(key);
    }

    /**
     * 在bean初始化时，初始化本地缓存
     */
    @Override
    public void afterPropertiesSet() {
        localCache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
            .expireAfterAccess(10, TimeUnit.SECONDS)
            .maximumSize(1000)
            .build();
    }
}

除此之外，也有一些比较成熟的开源的本地缓存框架可以直接使用，比较常用的有：

Guava Cache
Caffeine
Encache

本地缓存和分布式缓存有什么区别？

主要区别在于数据的存储和管理方式。

本地缓存是指将数据存储在单个应用程序的内存中，它通常被用于提高应用程序的性能，减少对数据库等后端存储系统的请求次数。本地缓存的优点是速度快、易于使用和管理，但是它只能在应用程序的本地节点使用，不能跨多个节点进行共享。也就是说，本地缓存在集群环境中，会存在不一致的问题。多个本地缓存之间的数据可能不一致。

分布式缓存是指将数据存储在多个节点的内存中，这些节点可以在不同的服务器上，甚至在不同的地理位置上。分布式缓存的优点是可以支持多个应用程序共享数据，提高系统的可伸缩性和可用性，但是它的管理和维护成本较高，需要考虑数据一致性和故障恢复等问题。

数据存储位置：
- 本地缓存：数据存储在应用程序运行的同一台服务器的内存中。这意味着缓存与应用程序实例紧密耦合，访问速度快，但局限于单个服务器的资源。
- 分布式缓存：数据存储在独立的缓存服务器集群中，这些服务器可以分布在不同的物理机器上。应用程序通过网络与这些缓存服务器交互，以读取和写入数据。
可扩展性和性能：
- 本地缓存：受限于单个服务器的内存容量和处理能力，扩展性较差。一旦服务器达到资源上限，缓存的效果和应用性能会受到影响。
- 分布式缓存：由于数据分布在多台服务器上，可以根据需要水平扩展，增加更多服务器以应对更高的数据量和访问压力，提供更好的性能和吞吐量。
数据共享与一致性：
- 本地缓存：每个应用实例有自己的缓存，数据不共享。在分布式应用环境中，这可能导致不同实例间的数据不一致问题。
- 分布式缓存：所有应用实例共享同一份缓存数据，有助于维持数据的一致性。虽然分布式系统中仍然存在数据一致性挑战（如 CAP 理论），但通过各种协议和技术（如Raft、Paxos）可以较好地管理和保证数据的一致性。
网络开销：
- 本地缓存：由于缓存操作在本地进行，几乎没有网络延迟，访问速度快。
- 分布式缓存：每次缓存读写操作都需要通过网络，虽然现代网络技术已经极大降低了延迟，但仍存在一定的性能开销。
管理与维护：
- 本地缓存：管理相对简单，通常由应用自身控制缓存的生命周期和策略。
- 分布式缓存：需要专门的维护和监控工具来确保整个缓存集群的稳定运行，包括数据备份、故障转移等高级功能。