程序设计中缓存的使用

程序设计中缓存的使用缓存是优化系统性能最常用的方式之一，通过在耗时部件（如数据库）之前添加缓存，可以减少实际调用次数，降低响应时间。但是在引
入缓存之前，务必三思而后行。通过Internet获取资源既缓慢，成本又高。为此，Http协议里包含了控制缓存的部分，以使Http客
户端可以缓存和重用以前获取的资源，从而优化性能，提升体验。虽然Http中关于缓存控制的部分，随着协议演进，有一些变化。但我觉着，作
为后端程序员，在开发Web服务时，只需要关注请求头If-None-Match、响应头ETag、响应头Cache-Control就足
够了。因为这三个Http头就可以满足你的需求，并且，当今绝大多数的浏览器，都支持这三个Http头。我们所要做的就是，确保每个服务器
响应都提供正确的HTTP头指令，以指导浏览器何时可以缓存响应以及可以缓存多久。缓存在哪儿？上图中有三个角色，浏览器、Web代理
和服务器，如图所示HTTP缓存存在于浏览器和Web代理中。当然在服务器内部，也存在着各种缓存，但这已经不是本文要讨论的Http缓存
了。所谓的Http缓存控制，就是一种约定，通过设置不同的响应头Cache-Control来控制浏览器和Web代理对缓存的使用策略，
通过设置请求头If-None-Match和响应头ETag，来对缓存的有效性进行验证。响应头ETagETag全称EntityTag
，用来标识一个资源。在具体的实现中，ETag可以是资源的hash值，也可以是一个内部维护的版本号。但不管怎样，ETag应该能反映出
资源内容的变化，这是Http缓存可以正常工作的基础。如上例中所展示的，服务器在返回响应时，通常会在Http头中包含一些关于响应的元
数据信息，其中，ETag就是其中一个，本例中返回了值为x1323ddx的ETag。当资源/file的内容发生变化时，服务器应当返回
不同的ETag。请求头If-None-Match对于同一个资源，比如上一例中的/file，在进行了一次请求之后，浏览器就已经有了/
file的一个版本的内容，和这个版本的ETag，当下次用户再需要这个资源，浏览器再次向服务器请求的时候，可以利用请求头If-Non
e-Match来告诉服务器自己已经有个ETag为x1323ddx的/file，这样，如果服务器上的/file没有变化，也就是说服务
器上的/file的ETag也是x1323ddx的话，服务器就不会再返回/file的内容，而是返回一个304的响应，告诉浏览器该资源
没有变化，缓存有效。如上例中所示，在使用了If-None-Match之后，服务器只需要很小的响应就可以达到相同的结果，从而优化了性
能。响应头Cache-Control每个资源都可以通过Http头Cache-Control来定义自己的缓存策略，Cache-Con
trol控制谁在什么条件下可以缓存响应以及可以缓存多久。最快的请求是不必与服务器进行通信的请求：通过响应的本地副本，我们可以避免
所有的网络延迟以及数据传输的数据成本。为此，HTTP规范允许服务器返回一系列不同的Cache-Control指令，控制浏览器
或者其他中继缓存如何缓存某个响应以及缓存多长时间。Cache-Control头在HTTP/1.1规范中定义，取代了之前用来定
义响应缓存策略的头（例如Expires）。当前的所有浏览器都支持Cache-Control，因此，使用它就够了。以下我来介绍可
以再Cache-Control中设置的常用指令。max-age该指令指定从当前请求开始，允许获取的响应被重用的最长时间（单位为秒。
例如：Cache-Control:max-age=60表示响应可以再缓存和重用60秒。需要注意的是，在max-age指定的时间
之内，浏览器不会向服务器发送任何请求，包括验证缓存是否有效的请求，也就是说，如果在这段时间之内，服务器上的资源发生了变化，那么浏览
器将不能得到通知，而使用老版本的资源。所以在设置缓存时间的长度时，需要慎重。public和private如果设置了public，表
示该响应可以再浏览器或者任何中继的Web代理中缓存，public是默认值，即Cache-Control:max-age=60等同于
Cache-Control:public,max-age=60。在服务器设置了private比如Cache-Control:pr
ivate,max-age=60的情况下，表示只有用户的浏览器可以缓存private响应，不允许任何中继Web代理对其进行缓存
–例如，用户浏览器可以缓存包含用户私人信息的HTML网页，但是CDN不能缓存。no-cache如果服务器在响应中设置了n
o-cache即Cache-Control:no-cache，那么浏览器在使用缓存的资源之前，必须先与服务器确认返回的响应是否被更
改，如果资源未被更改，可以避免下载。这个验证之前的响应是否被修改，就是通过上面介绍的请求头If-None-match和响应头ETa
g来实现的。需要注意的是，no-cache这个名字有一点误导。设置了no-cache之后，并不是说浏览器就不再缓存数据，只是浏览器
在使用缓存数据时，需要先确认一下数据是否还跟服务器保持一致。如果设置了no-cache，而ETag的实现没有反应出资源的变化，那就
会导致浏览器的缓存数据一直得不到更新的情况。no-store如果服务器在响应中设置了no-store即Cache-Control:
no-store，那么浏览器和任何中继的Web代理，都不会存储这次相应的数据。当下次请求该资源时，浏览器只能重新请求服务器，重新从
服务器读取资源。怎样决定一个资源的Cache-Control策略呢？下面这个流程图，可以帮到你。常见错误启动时缓存有时候，我们会发
现应用程序启动很慢，最终发现是其中一个依赖的服务响应时间很长，这时该怎么办？通常来说，遇到这类问题，说明这个依赖服务无法满足需求。
如果这是一个第三方服务，控制权不在自己手上，这时我们可能会引入缓存。此时引入缓存的问题，是缓存失效策略难以生效，因为缓存设计的本意
就是尽可能少的请求依赖的服务。过早缓存这里提到“早”，不是应用程序的生命周期，而是开发的周期。有的时候我们会看见，一些开发者在开发
初期就已经估算出系统瓶颈，并引入缓存。事实上，这样的做法掩盖了可能进行性能优化的点。反正到时候这个服务的返回值会被缓存住，我干嘛还
要花时间去优化这部分代码呢？集成缓存SOLID原则中的“S”代表——单一功能原则（Singleresponsibilitypr
inciple）。当应用程序集成缓存模块之后，缓存模块和服务层就有了强耦合，无法在没有缓存模块的参与下单独运行。缓存所有内容有的时
候为了降低响应延迟，可能会盲目的对外部调用都加上缓存。事实上，这样的行为很容易让开发者和维护者无法意识到缓存模块的存在，最终对底层
依赖模块的可靠性做出了错误的评估。级联缓存缓存所有内容，或者只是缓存了大部分内容，可能会导致缓存数据中包含其他缓存数据。如果应用程
序中包含这种级联的缓存结构，可能导致的情况是缓存失效时间不可控。最上层的缓存需要等每一级缓存都失效更新之后，最终返回的数据才会彻底
更新。不可刷新缓存通常情况下，缓存中间件会提供一个刷新缓存的工具。例如Redis，维护人员可以通过其提供的工具，删除部分数据，甚至
刷新整个缓存。但是，一些临时缓存，可能不会包含这样的工具。例如简单的将数据保存在内容中的缓存，通常不会允许外部工具来修改或者删除缓
存内容。这时，如果发现缓存数据异常，维护人员只能采取重启服务的方式，这将大大增加运维成本和响应时间。更有甚者，一些缓存可能会将缓存
内容写在文件系统中进行备份。此时除了重启服务，还需要确保应用程序启动之前删除文件系统上的缓存备份。缓存带来的影响上面提到了引入缓存
可能导致的常见错误，这些问题在无缓存系统中通过不会考虑。部署一个重度依赖缓存的系统，可能会因为等待缓存失效而花费大量时间。例如通过
CDN缓存内容，系统发布之后去刷新CDN配置、CDN缓存的内容，可能需要几个小时。另外，出现性能瓶颈优先考虑缓存，会导致性能问题被
掩盖，得不到真正的解决。事实上，很多时候调优代码花费的时间，和引入缓存组件不会相差太多。最后，对于包含缓存组件的系统，调试成本会大
大增加。经常会发生追踪半天代码，结果数据来自缓存，和实际逻辑上应该依赖的组件没有任何关系。同样的问题也可能出现在执行了所有相关测试
用例之后，修改到的代码实际没有被测试到。如何用好缓存？放弃缓存！好吧，很多时候缓存是无法避免的。基于互联网的系统，很难完全避免使用
缓存，甚至连http协议头，都包含缓存配置：Cache-Control:max-age=xxx。了解数据如果要将数据访问缓存，首
先需要了解数据更新策略。只有明确了解数据何时需要更新，才能通过If-Modified-Since头来判断客户端请求的数据是否需要更
新，是简单返回304NotModified响应让客户端复用之前的本地缓存数据，还是返回最新数据。另外，为了更好利用http协议
中的缓存，建议给数据区分版本，或者利用eTag来标记缓存数据的版本。优化性能而不是使用缓存前文提到过，使用缓存往往会将潜在性能问题
掩盖。尽可能利用性能分析工具，找到应用程序响应缓慢的真实原因并且修复它。例如减少无效代码调用，根据SQL执行计划优化SQL等。下面
是清除应用程序所有缓存的代码123456789101112131415161718192021222324252627282930
31323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626
36465666768697071727374757677787980818283848586878889909192939495
96979899100101102103104105106107108109110111112113114/?文件名:?
DataCleanManager.java?描??述:?主要功能有清除内/外缓存，清除数据库，清除sharedPrefe
rence，清除files和清除自定义目录?/?packagecom.test.DataClean;???importjav
a.io.File;???importandroid.content.Context;?importandroid.os.En
vironment;???/?本应用数据清除管理器?/?publicclassDataCleanManager{?
?/?清除本应用内部缓存(/data/data/www.267774.com.xxx.xxx/cache)???@p
aramcontext?/??publicstaticvoidcleanInternalCache(Contextco
ntext){??deleteFilesByDirectory(context.getCacheDir());??}????/
?清除本应用所有数据库(/data/data/com.xxx.xxx/databases)???@paramcont
ext?/??publicstaticvoidcleanDatabases(Contextcontext){??del
eteFilesByDirectory(newFile("/data/data/"??+context.getPackageN
ame()+"/databases"));??}????/?清除本应用SharedPreference(/data/d
ata/www.46club.com.xxx.xxx/shared_prefs)???@paramcontext?/??
publicstaticvoidcleanSharedPreference(Contextcontext){??dele
teFilesByDirectory(newFile("/data/data/"??+context.getPackageNa
me()+"/shared_prefs"));??}????/?按名字清除本应用数据库???@paramcon
text?@paramdbName?/??publicstaticvoidcleanDatabaseByName(C
ontextcontext,StringdbName){??context.deleteDatabase(dbName);
??}????/?清除/data/data/com.xxx.xxx/files下的内容???@paramconte
xt?/??publicstaticvoidcleanFiles(Contextcontext){??deleteFi
lesByDirectory(context.getFilesDir());??}????/?清除外部cache下的内容(
/mnt/sdcard/android/data/com.xxx.xxx/cache)???@paramcontext?
/??publicstaticvoidcleanExternalCache(Contextcontext){??if(
Environment.getExternalStorageState().equals(??Environment.MEDIA_
MOUNTED)){??deleteFilesByDirectory(context.getExternalCacheDir()
);??}??}????/?清除自定义路径下的文件，使用需小心，请不要误删。而且只支持目录下的文件删除???@par
amfilePath?/??publicstaticvoidcleanCustomCache(StringfilePa
th){??deleteFilesByDirectory(newFile(filePath));??}????/?清除
本应用所有的数据???@paramcontext?@paramfilepath?/??publicstatic
voidcleanApplicationData(Contextcontext,String...filepath){?
?cleanInternalCache(context);??cleanExternalCache(context);??clea
nDatabases(context);??cleanSharedPreference(context);??cleanFiles
(context);??for(StringfilePath:filepath){??cleanCustomCache(filePath);??}??}????/?删除方法这里只会删除某个文件夹下的文件，如果传入的directory是个文件，将不做处理???@paramdirectory?/??private?static?void?deleteFilesByDirectory(Filedirectory){??if?(directory!=?null?&&directory.exists()&&directory.isDirectory()){??for?(Fileitem:directory.listFiles()){??item.delete();??}??}??}?}总结缓存是非常有用的工具，但极易被滥用。不到最后一刻不要使用缓存，优先考虑使用其他方式优化应用程序性能。