Java中的缓存机制
缓存是从内存（高速缓存）存储和访问数据的过程。缓存的主要功能是减少访问特定数据的时间。缓存旨在存储将来有用的数据。缓存的原因是，从持久性内存（如 HDD、SDD 等硬盘）访问数据过去需要相当长的时间，因此会减慢该过程。
因此，缓存减少了从内存获取数据的时间。缓存用于存储数据，它是一种高速数据存储层，其目的是减少访问数据存储层的需要。缓存由快速访问硬件（RAM）实现。
缓存可以实现重复使用以前计算的数据的机制。每当硬件或软件请求特定数据时，首先在缓存中搜索所请求的数据，如果找到数据，则发生缓存命中，如果没有找到数据，则发生缓存未命中。
为什么缓存很重要？
- 它在提高系统性能方面起着至关重要的作用。
- 由于它将数据存储在本地，因此减少了总体时间并提高了系统时间效率。
- 缓存是不可避免的，因为它在计算机技术中提供了高性能。
- 它通常不会提出任何新请求。
- 它避免了重新处理数据。
缓存内存的用例
- 缓存主要用于加速数据库应用程序。在这里，数据库的一部分被缓存取代，结果是消除了频繁访问数据所导致的延迟。这些用例适用于访问数据量较大的情况下，例如高流量动态网站。
- 另一个用例是查询加速。在这里，缓存用于存储复杂查询的结果。诸如排序和分组之类的查询需要相当长的时间才能执行。如果重复执行查询，那么使用缓存存储结果会提供更高的响应。
缓存机制如何工作？
Java 对象缓存管理进程内、进程间或本地磁盘上的 Java 对象。Java 对象缓存提供强大、灵活且易于使用的服务，通过管理 Java 对象的本地副本可显著提高 Java 性能。对于可缓存的 Java 对象类型或对象的原始来源几乎没有限制。程序员使用 Java 对象缓存来管理那些没有缓存访问、检索或创建成本高昂的对象。
Java 对象缓存易于集成到新的和现有的应用程序中。可以使用用户定义的对象 CacheLoader 将对象加载到对象缓存中，并可以通过 CacheAccess 对象访问对象。CacheAccess 对象支持本地和分布式对象管理。Java 对象缓存的大多数功能不需要管理或配置。高级功能支持使用 Cache 类中的管理应用程序编程接口 (API) 进行配置。管理包括设置配置选项，例如命名本地磁盘空间或定义网络端口。管理功能允许应用程序完全集成 Java 对象缓存。
每个缓存的 Java 对象都有一组关联属性，用于控制对象如何加载到缓存中、存储在何处以及如何使对象失效。缓存的对象根据时间或显式请求失效（对象失效时可以提供通知）。可以按组或单个对象使对象失效。
缓存类型
-
数据库缓存： 数据库中已经存在一定级别的缓存。此内部缓存用于避免重复查询。数据库可以立即提供上次执行的查询结果。最常用的数据库缓存算法是基于在哈希表中存储键值对。
-
内存缓存： 直接使用 RAM 来存储缓存数据，这种方法比常见的数据库存储系统（硬盘）更快。此方法基于数据库中的一组键值对。值是缓存数据，键是唯一值。每组都是唯一标识的。它快速、高效且易于实现。
-
Web缓存： 它分为2个部分：
- Web 客户端缓存： 此缓存方法位于客户端，通常由所有互联网用户使用。也称为 Web 浏览器缓存。它在浏览器加载网页时启动，它会累积页面资源，如图像、文本、媒体文件和脚本。当访问同一页面时，浏览器可以从缓存中获取资源。它比从互联网下载更快。
- Web 服务器缓存： 在此，资源保存在服务器端，目的是重复使用资源。这种方法对动态网页很有用，但对静态网页可能没用。它减少了服务器的过载，减少了工作量，并提高了页面交付速度。
-
CDN 缓存： 内容分发网络缓存旨在缓存代理服务器中的资源，例如脚本、样式表、媒体文件和网页。它充当原始服务器和用户之间的网关。当用户请求资源时，代理服务器开始识别它是否有副本。如果找到的资源的副本被带给用户：否则请求由原始服务器处理。它消除了网络延迟并减少了对原始服务器的调用。
缓存带来的挑战
- 本地缓存： 由于本地缓存的资源在各个系统之间分布不均匀，可能会出现缓存一致性问题，这个过程可能会降低缓存效率。
- 缓存一致性问题： 当其中一个处理器修改在多个缓存之间共享的本地数据副本时，保持众多本地缓存同步顺序就成为一项挑战。
- 缓存穿透： 当用户查询数据时，请求首先发送到缓存，如果所需数据存在，则将其发送给用户，但如果缓存中没有此类数据，则请求将重新传输到主内存，如果主内存中没有数据，则会导致 NULL，从而导致缓存穿透。可以使用布隆过滤器来克服这一挑战。
- 缓存雪崩： 如果在用户发出大型查询请求的同时缓存内存发生故障，数据库将承受巨大压力，甚至可能导致数据库崩溃。可以使用缓存集群和 hystrix 来克服这一挑战。
缓存的优点
- 缓存减少了处理查询所需的时间；缓存最大限度地减少了请求相同数据的行程。
- 缓存减少了服务器的负载。
- 缓存提高了系统硬件的效率。
- 借助缓存，网页下载/渲染速度得到提高。
缓存的缺点
- 缓存算法很难实现而且很复杂。
- 缓存增加了应用程序的复杂性。
- 维护成本高。
缓存的应用
缓存机制主要应用在以下行业：
- 健康和保健： 通过有效的缓存架构，我们将能够提供快速的速度、节省总体支出，并随着使用量的增长而扩展。
- 广告技术： 在开发实时竞价软件时，毫秒的差别就意味着准时出价和出价无效。这需要以闪电般的速度从数据库检索竞价信息。数据库缓存可以在几毫秒或更短的时间内检索出价数据，这是实现这种高速水平的绝佳方法。
- 移动： 我们的移动应用程序可以实现您的消费者所需的性能，呈指数级增长，并通过适当的缓存解决方案降低您的总成本。
- 游戏和媒体： 缓存通过对常见数据提供亚毫秒级的查询响应来帮助保持游戏平稳运行。
- 电子商务： 执行良好的缓存管理是响应时间的一个战略部分，它可能是实现销售和失去客户之间的关键区别。
结论
Java 应用程序中的缓存机制是增强性能、减少资源消耗和改善用户体验的强大工具。通过选择正确的缓存策略、实施缓存策略并遵循最佳实践，我们可以有效地将缓存集成到我们的 Java 应用程序中。如果使用得当，缓存可以彻底改变我们的 Java 应用程序的性能，使其更快、更高效，用户体验更友好。
