使用EHCache提升网站性能

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在开发高并发量，高性能的网站应用系统时，缓存Cache起到了非常重要的作用。本文主要介绍EHCache的使用，以及使用EHCache的实践经验。
    笔者使用过多种基于Java的开源Cache组件，其中包括OSCache、JBossCache、EHCache。OSCache功能强大，使用灵活，可用于对象缓存、Filter缓存以及在JSP中直接使用cache标签。笔者在最近的使用过程中发现，在并发量较高时，OSCache会出现线程阻塞和数据错误，通过分析源代码发现是其内部实现的缺陷。JBossCache最大的优点是支持基于对象属性的集群同步，不过JBossCache的配置使用都较复杂，在并发量较高的情况下，对象属性数据在集群中同步也会加大系统的开销。以上两种Cache本文仅作简单介绍，不做深入探讨。
    EHCache是来自sourceforge（http://ehcache.sourceforge.net/）的开源项目，也是纯Java实现的简单、快速的Cache组件。EHCache支持内存和磁盘的缓存，支持LRU、LFU和FIFO多种淘汰算法，支持分布式的Cache，可以作为Hibernate的缓存插件。同时它也能提供基于Filter的Cache，该Filter可以缓存响应的内容并采用Gzip压缩提高响应速度。

    EHCache API的基本用法
    首先介绍CacheManager类。它主要负责读取配置文件，默认读取CLASSPATH下的ehcache.xml，根据配置文件创建并管理Cache对象。
    // 使用默认配置文件创建CacheManager
    CacheManager manager = CacheManager.create();
    // 通过manager可以生成指定名称的Cache对象
    Cache cache = cache = manager.getCache("demoCache");
    // 使用manager移除指定名称的Cache对象
    manager.removeCache("demoCache");
可以通过调用manager.removalAll()来移除所有的Cache。通过调用manager的shutdown()方法可以关闭CacheManager。
    有了Cache对象之后就可以进行一些基本的Cache操作，例如：
    //往cache中添加元素
Element element = new Element("key", "value");
cache.put(element);
//从cache中取回元素
Element element = cache.get("key");
element.getValue();
//从Cache中移除一个元素
cache.remove("key");
可以直接使用上面的API进行数据对象的缓存，这里需要注意的是对于缓存的对象都是必须可序列化的。在下面的篇幅中笔者还会介绍EHCache和Spring、Hibernate的整合使用。

    配置文件
    配置文件ehcache.xml中命名为demoCache的缓存配置：
    <cache name="demoCache"
        maxElementsInMemory="10000"
        eternal="false"
        overflowToDisk="true"
        timeToIdleSeconds="300"
        timeToLiveSeconds="600"
        memoryStoreEvictionPolicy="LFU" />
   
各配置参数的含义：
maxElementsInMemory：缓存中允许创建的最大对象数
eternal：缓存中对象是否为永久的，如果是，超时设置将被忽略，对象从不过期。
timeToIdleSeconds：缓存数据的钝化时间，也就是在一个元素消亡之前，两次访问时间的最大时间间隔值， 这只能在元素不是永久驻留时有效，如果该值是 0 就意味着元素可以停顿无穷长的时间。
timeToLiveSeconds：缓存数据的生存时间，也就是一个元素从构建到消亡的最大时间间隔值，这只能在元素不是永久驻留时有效，如果该值是0就意味着元素可以停顿无穷长的时间。
overflowToDisk：内存不足时，是否启用磁盘缓存。
memoryStoreEvictionPolicy：缓存满了之后的淘汰算法。LRU和FIFO算法这里就不做介绍。LFU算法直接淘汰使用比较少的对象，在内存保留的都是一些经常访问的对象。对于大部分网站项目，该算法比较适用。
如果应用需要配置多个不同命名并采用不同参数的Cache，可以相应修改配置文件，增加需要的Cache配置即可。

    利用Spring APO整合EHCache
    首先，在CLASSPATH下面放置ehcache.xml配置文件。在Spring的配置文件中先添加如下cacheManager配置：
<bean id="cacheManager"
    class="org.springframework.cache.ehcache.EhCacheManagerFactoryBean">
</bean>
配置demoCache：
<bean id="demoCache" class="org.springframework.cache.ehcache.EhCacheFactoryBean">
    <property name="cacheManager" ref="cacheManager" />
    <property name="cacheName">
        <value>demoCache</value>
    </property>
</bean>
接下来，写一个实现org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor接口的拦截器类。有了拦截器就可以有选择性的配置想要缓存的 bean 方法。如果被调用的方法配置为可缓存，拦截器将为该方法生成 cache key 并检查该方法返回的结果是否已缓存。如果已缓存，就返回缓存的结果，否则再次执行被拦截的方法，并缓存结果供下次调用。具体代码如下：
public class MethodCacheInterceptor implements MethodInterceptor,
        InitializingBean {

    private Cache cache;

    /**
     * 设置缓存名
     */
    public void setCache(Cache cache) {
        this.cache = cache;
    }

    /**
     * 检查是否提供必要参数。
     */
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        Assert.notNull(cache,
                "A cache is required. Use setCache(Cache) to provide one.");
    }

    /**
     *
     * 如果某方法可被缓存就缓存其结果，方法的返回结果必须是可序列化的(Serializable)
     */
    public Object invoke(MethodInvocation invocation) throws Throwable {
        String targetName = invocation.getThis().getClass().getName();
        String methodName = invocation.getMethod().getName();
        Object[] arguments = invocation.getArguments();
        Object result;

        String cacheKey = getCacheKey(targetName, methodName, arguments);
        Element element = null;
        synchronized (this){
            element = cache.get(cacheKey);

            if (element == null) {
                //调用实际的方法
                result = invocation.proceed();
                element = new Element(cacheKey, (Serializable) result);
                cache.put(element);
            }
        }
        return element.getValue();
    }

    /**
     * 生成CacheKey: targetName.methodName.argument0.argument1...
     */
    private String getCacheKey(String targetName, String methodName,
            Object[] arguments) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(targetName).append(".").append(methodName);
        if ((arguments != null) && (arguments.length != 0)) {
            for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
                sb.append(".").append(arguments[i]);
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}
synchronized (this)这段代码实现了同步功能。为什么一定要同步？Cache对象本身的get和put操作是同步的。如果我们缓存的数据来自数据库查询，在没有这段同步代码时，当key不存在或者key对应的对象已经过期时，在多线程并发访问的情况下，许多线程都会重新执行该方法，由于对数据库进行重新查询代价是比较昂贵的，而在瞬间大量的并发查询，会对数据库服务器造成非常大的压力。所以这里的同步代码是很重要的。

    接下来，继续完成拦截器和Bean的配置：
<bean id="methodCacheInterceptor" class="com.xiebing.utils.interceptor.MethodCacheInterceptor">
    <property name="cache">
        <ref local="demoCache" />
    </property>
</bean>
<bean id="methodCachePointCut" class="org.springframework.aop.support.RegexpMethodPointcutAdvisor">
    <property name="advice">
        <ref local="methodCacheInterceptor" />
    </property>
    <property name="patterns">
        <list>
            <value>.*myMethod</value>
        </list>
    </property>
</bean>
   
<bean id="myServiceBean"
    class="com.xiebing.ehcache.spring.MyServiceBean">
</bean>

<bean id="myService" class="org.springframework.aop.framework.ProxyFactoryBean">
    <property name="target">
        <ref local="myServiceBean" />
    </property>
    <property name="interceptorNames">
        <list>
            <value>methodCachePointCut</value>
        </list>
    </property>
</bean>

其中myServiceBean是实现了业务逻辑的Bean，里面的方法myMethod()的返回结果需要被缓存。这样每次对myServiceBean的myMethod()方法进行调用,都会首先从缓存中查找,其次才会查询数据库。使用AOP的方式极大地提高了系统的灵活性，通过修改配置文件就可以实现对方法结果的缓存，所有的对Cache的操作都封装在了拦截器的实现中。

    CachingFilter功能
使用Spring的AOP进行整合，可以灵活的对方法的的返回结果对象进行缓存。CachingFilter功能可以对HTTP响应的内容进行缓存。这种方式缓存数据的粒度比较粗，例如缓存整张页面。它的优点是使用简单、效率高，缺点是不够灵活，可重用程度不高。
    EHCache使用SimplePageCachingFilter类实现Filter缓存。该类继承自CachingFilter，有默认产生cache key的calculateKey()方法，该方法使用HTTP请求的URI和查询条件来组成key。也可以自己实现一个Filter，同样继承CachingFilter类,然后覆写calculateKey()方法，生成自定义的key。
在笔者参与的项目中很多页面都使用AJAX，为保证JS请求的数据不被浏览器缓存，每次请求都会带有一个随机数参数i。如果使用SimplePageCachingFilter，那么每次生成的key都不一样，缓存就没有意义了。这种情况下，我们就会覆写calculateKey()方法。

要使用SimplePageCachingFilter，首先在配置文件ehcache.xml中，增加下面的配置：
<cache name="SimplePageCachingFilter" maxElementsInMemory="10000" eternal="false"
        overflowToDisk="false" timeToIdleSeconds="300" timeToLiveSeconds="600"
        memoryStoreEvictionPolicy="LFU" />
其中name属性必须为SimplePageCachingFilter，修改web.xml文件，增加一个Filter的配置：
<filter>
    <filter-name>SimplePageCachingFilter</filter-name>
    <filter-class>net.sf.ehcache.constructs.web.filter.SimplePageCachingFilter</filter-class>
</filter>
<filter-mapping>
    <filter-name>SimplePageCachingFilter</filter-name>
    <url-pattern>/test.jsp</url-pattern>
</filter-mapping>

下面我们写一个简单的test.jsp文件进行测试，缓存后的页面每次刷新，在600秒内显示的时间都不会发生变化的。代码如下：
<%
out.println(new Date());
%>

CachingFilter输出的数据会根据浏览器发送的Accept-Encoding头信息进行Gzip压缩。经过笔者测试，Gzip压缩后的数据量是原来的1/4，速度是原来的4-5倍，所以缓存加上压缩，效果非常明显。
在使用Gzip压缩时，需注意两个问题：
1.    Filter在进行Gzip压缩时，采用系统默认编码，对于使用GBK编码的中文网页来说，需要将操作系统的语言设置为：zh_CN.GBK，否则会出现乱码的问题。
2.    默认情况下CachingFilter会根据浏览器发送的请求头部所包含的Accept-Encoding参数值来判断是否进行Gzip压缩。虽然IE6/7浏览器是支持Gzip压缩的，但是在发送请求的时候却不带该参数。为了对IE6/7也能进行Gzip压缩，可以通过继承CachingFilter，实现自己的Filter，然后在具体的实现中覆写方法acceptsGzipEncoding。

具体实现参考：
protected boolean acceptsGzipEncoding(HttpServletRequest request) {
    final boolean ie6 = headerContains(request, "User-Agent", "MSIE 6.0");
    final boolean ie7 = headerContains(request, "User-Agent", "MSIE 7.0");
    return acceptsEncoding(request, "gzip") || ie6 || ie7;
}

    EHCache在Hibernate中的使用
EHCache可以作为Hibernate的二级缓存使用。在hibernate.cfg.xml中需增加如下设置：
<prop key="hibernate.cache.provider_class">
    org.hibernate.cache.EhCacheProvider
</prop>
然后在Hibernate映射文件的每个需要Cache的Domain中，加入类似如下格式信息：
<cache usage="read-write|nonstrict-read-write|read-only" />
比如：
<cache usage="read-write" />
最后在配置文件ehcache.xml中增加一段cache的配置，其中name为该domain的类名。
<cache name="domain.class.name"
maxElementsInMemory="10000"
eternal="false"
timeToIdleSeconds="300"
timeToLiveSeconds="600"
overflowToDisk="false"
/>

    EHCache的监控
    对于Cache的使用，除了功能，在实际的系统运营过程中，我们会比较关注每个Cache对象占用的内存大小和Cache的命中率。有了这些数据，我们就可以对Cache的配置参数和系统的配置参数进行优化，使系统的性能达到最优。EHCache提供了方便的API供我们调用以获取监控数据，其中主要的方法有：

//得到缓存中的对象数
cache.getSize();
//得到缓存对象占用内存的大小
cache.getMemoryStoreSize();
//得到缓存读取的命中次数
cache.getStatistics().getCacheHits()
//得到缓存读取的错失次数
cache.getStatistics().getCacheMisses()

    分布式缓存
EHCache从1.2版本开始支持分布式缓存。分布式缓存主要解决集群环境中不同的服务器间的数据的同步问题。具体的配置如下：

在配置文件ehcache.xml中加入
<cacheManagerPeerProviderFactory
    class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerProviderFactory"
    properties="peerDiscovery=automatic, multicastGroupAddress=230.0.0.1, multicastGroupPort=4446"/>

<cacheManagerPeerListenerFactory
    class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheManagerPeerListenerFactory"/>

另外，需要在每个cache属性中加入
<cacheEventListenerFactory class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheReplicatorFactory"/>
例如：
<cache name="demoCache"
  maxElementsInMemory="10000"
  eternal="true"
  overflowToDisk="true">
  <cacheEventListenerFactory class="net.sf.ehcache.distribution.RMICacheReplicatorFactory"/>
</cache>

总结
    EHCache是一个非常优秀的基于Java的Cache实现。它简单、易用，而且功能齐全，并且非常容易与Spring、Hibernate等流行的开源框架进行整合。通过使用EHCache可以减少网站项目中数据库服务器的访问压力，提高网站的访问速度，改善用户的体验。