前言
缓存，设计的初衷是为了减少繁重的IO操作，增加系统并发能力。不管是 CPU多级缓存，page cache，还是我们业务中熟悉的 redis 缓存，本质都是将有限的热点数据存储在一个存取更快的存储介质中。
计算机本身的缓存设计就是 CPU 采取多级缓存。那对我们服务来说，我们是不是也可以采用这种多级缓存的方式来组织我们的缓存数据。同时 redis 的存取都会经过网络IO，那我们能不能把热点数据直接存在本进程内，由进程自己缓存一份最近最热的这批数据呢？
这就引出了我们今天探讨的：local cache，本地缓存，也叫进程缓存。
本文带你一起探讨下 go-zero 中进程缓存的设计。Let’s go!
快速入门
作为一个进程存储设计，当然是 crud 都有的：
- 我们先初始化
local cache
// 先初始化 local cache
cache, err = collection.NewCache(time.Minute, collection.WithLimit(10))
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
其中参数的含义：
-
expire：key统一的过期时间 -
CacheOption：cache设置。比如key的上限设置等
- 基础操作缓存
// 1. add/update 增加/修改都是该API
cache.Set("first", "first element")
// 2. get 获取key下的value
value, ok := cache.Get("first")
// 3. del 删除一个key
cache.Del("first")
-
Set(key, value)设置缓存 -
value, ok := Get(key)读取缓存 -
Del(key)删除缓存
- 高级操作
cache.Take("first", func() (interface{}, error) {
// 模拟逻辑写入local cache
time.Sleep(time.Millisecond * 100)
return "first element", nil
})
前面的 Set(key, value) 是单纯将 <key, value> 加入缓存；Take(key, setFunc) 则是在 key 对于的 value 不存在时，执行传入的 fetch 方法，将具体读取逻辑交给开发者实现，并自动将结果放到缓存里。
到这里核心使用代码基本就讲完了，其实看起来还是挺简单的。也可以到 https://github.com/tal-tech/go-zero/blob/master/core/collection/cache_test.go 去看 test 中的使用。
解决方案
首先缓存实质是一个存储有限热点数据的介质，面临以下的这些问题：
- 有限容量
- 热点数据统计
- 多线程存取
下面来说说这3个方面我们的设计实践。
有限容量
有限就意味着满了要淘汰，这个就涉及到淘汰策略。cache 中使用的是：LRU（最近最少使用）。
那淘汰怎么发生呢？ 有几个选择：
- 开一个定时器，不断循环所有key，等到了预设过期时间，执行回调函数（这里是删除map中过的key）
- 惰性删除。访问时判断该键是否被删除。缺点是：如果未访问的话，会加重空间浪费。
而 cache 中采取的是第一种 主动删除。但是，主动删除中遇到最大的问题是：
不断循环，空消耗CPU资源，即使在额外的协程中这么做，也是没有必要的。
cache 中采取的是时间轮记录额外过期通知，等过期 channel 中有通知时，然后触发删除回调。
有关 时间轮 更多的设计文章：https://go-zero.dev/cn/timing-wheel.html
热点数据统计
对于缓存来说，我们需要知道这个缓存在使用额外空间和代码的情况下是否有价值，以及我们想知道需不需要进一步优化过期时间或者缓存大小，所有这些我们就很依赖统计能力了， go-zero 中 sqlc 和 mongoc 也同样提供了统计能力。所以我们在 cache 中也加入的缓存，为开发者提供本地缓存监控的特性，在接入 ELK 时开发者可以更直观的监测到缓存的分布情况。
而设计其实也很简单，就是：Get() 命中，就在统计 count 上加1即可。
func (c *Cache) Get(key string) (interface{}, bool) {
value, ok := c.doGet(key)
if ok {
// 命中hit+1
c.stats.IncrementHit()
} else {
// 未命中miss+1
c.stats.IncrementMiss()
}
return value, ok
}
多线程存取
当多个协程并发存取的时候，对于缓存来说，涉及的问题以下几个：
- 写-写冲突
-
LRU中元素的移动过程冲突 - 并发执行写入缓存时，造成流量冲击或者无效流量
这种情况下，写冲突好解决，最简单的方法就是 加锁 ：
// Set(key, value)
func (c *Cache) Set(key string, value interface{}) {
// 加锁，然后将 <key, value> 作为键值对写入 cache 中的 map
c.lock.Lock()
_, ok := c.data[key]
c.data[key] = value
// lru add key
c.lruCache.add(key)
c.lock.Unlock()
...
}
// 还有一个在操作 LRU 的地方时：Get()
func (c *Cache) doGet(key string) (interface{}, bool) {
c.lock.Lock()
defer c.lock.Unlock()
// 当key存在时，则调整 LRU item 中的位置，这个过程也是加锁的
value, ok := c.data[key]
if ok {
c.lruCache.add(key)
}
return value, ok
}
而并发执行写入逻辑，这个逻辑主要是开发者自己传入的。而这个过程：
func (c *Cache) Take(key string, fetch func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
// 1. 先获取 doGet() 中的值
if val, ok := c.doGet(key); ok {
c.stats.IncrementHit()
return val, nil
}
var fresh bool
// 2. 多协程中通过 sharedCalls 去获取，一个协程获取多个协程共享结果
val, err := c.barrier.Do(key, func() (interface{}, error) {
// double check，防止多次读取
if val, ok := c.doGet(key); ok {
return val, nil
}
...
// 重点是执行了传入的缓存设置函数
val, err := fetch()
...
c.Set(key, val)
})
if err != nil {
return nil, err
}
...
return val, nil
}
而 sharedCalls 通过共享返回结果，节省了多次执行函数，减少了协程竞争。
总结
本篇文章讲解了本地缓存设计实践。从使用到设计思路，你也可以根据你的业务动态修改 缓存的过期策略，加入你想要的统计指标，实现自己的本地缓存。
甚至可以将本地缓存和 redis 结合，给服务提供多级缓存，这个就留到我们下一篇文章：缓存在服务中的多级设计。
关于 go-zero 更多的设计和实现文章，可以关注『微服务实践』公众号。
项目地址
https://github.com/tal-tech/go-zero
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