Spring Boot Cache：先验证缓存数据，再获取缺失数据？

在 Spring Boot 应用中，我们经常需要使用缓存来提高数据访问速度，减少数据库压力。然而，默认的 Spring Cache 抽象并不能直接满足“先验证缓存中已存在的数据，再从数据库中获取缺失数据”的需求。本文将深入分析这一问题，并提供一种可行的解决方案。

Spring Cache 的局限性

Spring Cache 抽象的核心思想是使用 AOP（面向切面编程）来装饰现有的服务方法或数据访问调用，为其添加缓存行为。这意味着，对于一个被 @Cacheable 注解的方法，要么缓存中存在对应的键，直接返回缓存值，要么缓存中不存在，执行方法并将结果放入缓存。不存在部分数据从缓存获取，部分数据从数据库获取的中间状态。

具体来说，假设我们有一个查询 Student 对象的 findByIds(Set<Integer> ids) 方法，并使用 @Cacheable 注解：

@Cacheable("Students")
List<Student> findByIds(Set<Integer> ids) {
  // perform other processing as necessary
  return repository.findByIds(ids);
}

在这种情况下，Spring Cache 的行为存在以下几个问题：

1. 全有或全无： findByIds(..) 方法要么完全从缓存中获取数据，要么完全从数据库中获取数据。如果缓存中没有包含所有 ids 对应的数据，整个方法都会执行数据库查询。
2. 键的定义： 默认情况下，Spring Cache 使用方法的所有参数来生成缓存键。这意味着，对于 findByIds(Set<Integer> ids) 方法，缓存键是整个 Set<Integer> 对象，而不是单个的 Student ID。因此，即使缓存中已经存在部分 Student 对象，也无法直接利用。
3. 单键访问： Spring 的 Cache 接口只支持单键访问，这意味着我们需要为每个 id 单独调用 cache.get(id) 方法，这在需要查询大量 ID 时可能会非常耗时。

自定义解决方案

为了解决上述问题，我们需要自定义缓存逻辑，手动实现先从缓存获取数据，再从数据库获取缺失数据的流程。以下是一种可能的实现方式：

// PROBLEM 2
//@Cacheable("Students")
List<Student> findByIds(Set<Integer> studentIds) {

    List<Student> result = new ArrayList<>();

    // 首先，从缓存中加载已存在的 Student
    studentIds.stream()
        .map(id -> this.getCache().get(id))  // CACHE CALL - PROBLEM 3
        .filter(Objects::nonNull)
        .map(Cache.ValueWrapper::get)
        .filter(Student.class::isInstance)
        .map(Student.class::cast)
        .forEach(result::add);

    Set<Integer> idsToQuery = new HashSet<>(studentIds);

    idsToQuery.removeAll(result.stream()
        .map(Student::getId)
        .collect(Collectors.toSet()));

    // 断言需要从数据库查询的 Student ID
    getStudentIdAssertion().accept(idsToQuery);

    // 运行：SELECT * FROM Students WHERE id IN (...)
    getDatabase().query(idsToQuery).stream()
        .map(this::cache) // 缓存数据库查询结果
        .forEach(result::add);

    return result;
}

这段代码首先尝试从缓存中获取所有 Student 对象，然后将缓存中不存在的 id 筛选出来，最后从数据库中查询这些缺失的数据。

先见AI

数据为基，先见未见

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代码解释：

1. studentIds.stream().map(id -> this.getCache().get(id)): 遍历传入的 studentIds 集合，尝试从缓存中获取对应的 Student 对象。
2. .filter(Objects::nonNull).map(Cache.ValueWrapper::get).filter(Student.class::isInstance).map(Student.class::cast): 对从缓存中获取的对象进行过滤和类型转换，确保只处理有效的 Student 对象。
3. idsToQuery.removeAll(result.stream().map(Student::getId).collect(Collectors.toSet())): 从原始的 studentIds 集合中移除已经从缓存中获取的 Student 对象的 id，得到需要从数据库查询的 id 集合。
4. getDatabase().query(idsToQuery).stream().map(this::cache).forEach(result::add): 从数据库中查询缺失的 Student 对象，并将查询结果添加到结果列表中。同时，将这些对象放入缓存，以便下次使用。

注意事项：

• this.getCache() 方法需要获取 Spring Cache 接口的实现。
• getDatabase().query(idsToQuery) 方法需要根据实际的数据库访问方式进行实现。
• this::cache 方法需要将从数据库查询到的 Student 对象放入缓存。

缓存提供者特定的优化

虽然 Spring Cache 抽象只支持单键访问，但一些底层的缓存提供者（如 Hazelcast）提供了批量获取数据的接口。例如，Hazelcast 的 IMap 接口提供了 getAll(Set<K> keys) 方法，可以一次性获取多个键对应的值。

如果使用了支持批量获取数据的缓存提供者，可以考虑直接使用其提供的接口，以提高缓存访问效率。但需要注意的是，这种方式会将应用程序与特定的缓存提供者绑定，增加了代码的耦合性。

总结

Spring Cache 抽象在简化缓存操作方面提供了很大的便利，但在某些特定场景下，需要自定义缓存逻辑才能满足需求。本文提供了一种自定义解决方案，可以实现先验证缓存数据，再从数据库获取缺失数据的流程。在实际应用中，需要根据具体的业务需求和性能要求，选择合适的实现方式。同时，需要注意缓存提供者的特性，以便进行更深层次的优化。

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