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如何在Java中实现线程安全的缓存

P粉602998670

发布： 2025-09-25 12:57:01

原创

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使用ConcurrentHashMap实现线程安全缓存，结合过期机制与Future防止击穿，或选用Caffeine等成熟库以提升性能与可靠性。

如何在java中实现线程安全的缓存

在Java中实现线程安全的缓存，关键在于确保多个线程同时访问缓存时不会出现数据不一致或竞态条件。最常见的方式是使用线程安全的数据结构和同步机制。以下是几种实用且高效的实现方法。

使用ConcurrentHashMap作为缓存存储

ConcurrentHashMap是Java并发包中提供的线程安全Map实现，适合高并发读写场景。

它内部采用分段锁（JDK 1.8后优化为CAS + synchronized）机制，相比Hashtable或synchronized Map性能更好。

示例：

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private final ConcurrentHashMap<String, Object> cache = new ConcurrentHashMap<>();

public Object get(String key) {
    return cache.get(key);
}

public void put(String key, Object value) {
    cache.put(key, value);
}

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这个实现天然支持多线程并发访问，get操作几乎无锁，put操作只锁定局部桶位，效率高。

结合过期机制与原子操作

实际缓存通常需要支持自动过期。可以将值封装成包含时间戳的对象，并配合原子操作保证更新一致性。

例如：

class CacheValue {
    final Object value;
    final long expireAt;

    CacheValue(Object value, long ttlMillis) {
        this.value = value;
        this.expireAt = System.currentTimeMillis() + ttlMillis;
    }

    boolean isExpired() {
        return System.currentTimeMillis() > expireAt;
    }
}

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获取时判断是否过期，若过期则移除：

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public Object get(String key) {
    CacheValue cv = cache.get(key);
    if (cv == null) return null;
    if (cv.isExpired()) {
        cache.remove(key);
        return null;
    }
    return cv.value;
}

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put操作直接覆盖，利用ConcurrentHashMap的原子性保证线程安全。

使用Future防止缓存击穿

对于计算耗时的加载逻辑，多个线程同时请求同一key可能导致重复加载。可用Future+Callable避免。

思路：缓存中存放Future，首次请求执行加载，后续请求直接get等待结果。

private final ConcurrentHashMap<String, Future<Object>> cache 
    = new ConcurrentHashMap<>();

public Object get(String key, Callable<Object> loader) throws Exception {
    while (true) {
        Future<Object> future = cache.get(key);
        if (future == null) {
            FutureTask<Object> task = new FutureTask<>(loader);
            future = cache.putIfAbsent(key, task);
            if (future == null) {
                future = task;
                task.run();
            }
        }
        try {
            return future.get();
        } catch (ExecutionException e) {
            cache.remove(key, future);
            throw e;
        } catch (InterruptedException e) {
            cache.remove(key, future);
            Thread.currentThread().interrupt();
            throw e;
        }
    }
}

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这种方式能有效防止缓存雪崩和击穿，适用于高频查询、加载成本高的场景。

考虑使用Guava Cache或Caffeine

如果不想从零实现，推荐使用成熟的第三方库。

Guava Cache：提供简洁API，支持大小限制、过期策略、弱引用等。
Caffeine：性能更优，基于Window TinyLfu淘汰算法，是目前推荐的选择。

例如Caffeine使用：

Cache<String, Object> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(1000)
    .expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
    .build();

cache.put("key", "value");
Object value = cache.getIfPresent("key");

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这些库已经解决了线程安全、性能优化、内存回收等问题，更适合生产环境。

基本上就这些。选择哪种方式取决于你的具体需求：简单场景用ConcurrentHashMap即可；复杂需求建议直接上Caffeine。关键是避免手动同步带来的性能瓶颈和死锁风险。

以上就是如何在Java中实现线程安全的缓存的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！