作者：京东零售王震

背景

在早期参与涅槃氛围标签中台项目中，前台要求接口性能999要求50ms以下，通过设计Caffeine、ehcache堆外缓存、jimDB三级缓存，利用内存、堆外、jimDB缓存不同的特性提升接口性能，内存缓存采用Caffeine缓存，利用W-TinyLFU算法获得更高的内存命中率；同时利用堆外缓存降低内存缓存大小，减少GC频率，同时也减少了网络IO带来的性能消耗；利用JimDB提升接口高可用、高并发；后期通过压测及性能调优999性能<20ms

当时由于项目工期紧张，三级缓存实现较为臃肿、业务侵入性强、可读性差，在近期场景化推荐项目中，为B端商家场景化资源投放推荐，考虑到B端流量相对C端流量较小，但需保证接口性能稳定。采用SpringCache实现caffeine、jimDB多级缓存方案，实现了低侵入性、可扩展、高可用的缓存方案，极大提升了系统稳定性，保证接口性能小于100ms；

Spring Cache实现多级缓存

多级缓存实例MultilevelCache

1/**
2 * 分级缓存
3 * 基于Caffeine + jimDB 实现二级缓存
4 * @author wangzhen520
5 * @date 2022/12/9
6 */
7public class MultilevelCache extends AbstractValueAdaptingCache {
8
9    /**
10     * 缓存名称
11     */
12    private String name;
13
14    /**
15     * 是否开启一级缓存
16     */
17    private boolean enableFirstCache = true;
18
19    /**
20     * 一级缓存
21     */
22    private Cache firstCache;
23
24    /**
25     * 二级缓存
26     */
27    private Cache secondCache;
28
29    @Override
30    protected Object lookup(Object key) {
31        Object value;
32        recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_GET_CACHE, UMP_ALL));
33        if(enableFirstCache){
34            //查询一级缓存
35            value = getWrapperValue(getForFirstCache(key));
36            log.info("{}#lookup getForFirstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
37            if(value != null){
38                return value;
39            }
40        }
41        value = getWrapperValue(getForSecondCache(key));
42        log.info("{}#lookup getForSecondCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
43        //二级缓存不为空，则更新一级缓存
44        boolean putFirstCache = (Objects.nonNull(value) || isAllowNullValues()) && enableFirstCache;
45        if(putFirstCache){
46            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
47            log.info("{}#lookup put firstCache key={} value={}", this.getClass().getSimpleName(), key, value);
48            firstCache.put(key, value);
49        }
50        return value;
51    }
52    
53
54    @Override
55    public void put(Object key, Object value) {
56        if(enableFirstCache){
57            checkFirstCache();
58            firstCache.put(key, value);
59        }
60        secondCache.put(key, value);
61    }
62
63    /**
64     * 查询一级缓存
65     * @param key
66     * @return
67     */
68    private ValueWrapper getForFirstCache(Object key){
69        checkFirstCache();
70        ValueWrapper valueWrapper = firstCache.get(key);
71        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
72            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_FIRST_CACHE, UMP_NO_HIT));
73        }
74        return valueWrapper;
75    }
76
77    /**
78     * 查询二级缓存
79     * @param key
80     * @return
81     */
82    private ValueWrapper getForSecondCache(Object key){
83        ValueWrapper valueWrapper = secondCache.get(key);
84        if(valueWrapper == null || Objects.isNull(valueWrapper.get())){
85            recordCount(getUmpKey(this.getName(), UMP_SECOND_CACHE, UMP_NO_HIT));
86        }
87        return valueWrapper;
88    }
89
90    private Object getWrapperValue(ValueWrapper valueWrapper){
91        return Optional.ofNullable(valueWrapper).map(ValueWrapper::get).orElse(null);
92    }
93
94}

多级缓存管理器抽象

1/**
2 * 多级缓存实现抽象类
3 * 一级缓存
4 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getFirstCache(String)
5 * 二级缓存
6 * @see AbstractMultilevelCacheManager#getSecondCache(String)
7 * @author wangzhen520
8 * @date 2022/12/9
9 */
10public abstract class AbstractMultilevelCacheManager implements CacheManager {
11
12    private final ConcurrentMap<String, MultilevelCache> cacheMap = new ConcurrentHashMap<>(16);
13
14    /**
15     * 是否动态生成
16     * @see MultilevelCache
17     */
18    protected boolean dynamic = true;
19    /**
20     * 默认开启一级缓存
21     */
22    protected boolean enableFirstCache = true;
23    /**
24     * 是否允许空值
25     */
26    protected boolean allowNullValues = true;
27
28    /**
29     * ump监控前缀 不设置不开启监控
30     */
31    private String umpKeyPrefix;
32
33
34    protected MultilevelCache createMultilevelCache(String name) {
35        Assert.hasLength(name, "createMultilevelCache name is not null");
36        MultilevelCache multilevelCache = new MultilevelCache(allowNullValues);
37        multilevelCache.setName(name);
38        multilevelCache.setUmpKeyPrefix(this.umpKeyPrefix);
39        multilevelCache.setEnableFirstCache(this.enableFirstCache);
40        multilevelCache.setFirstCache(getFirstCache(name));
41        multilevelCache.setSecondCache(getSecondCache(name));
42        return multilevelCache;
43    }
44
45
46    @Override
47    public Cache getCache(String name) {
48        MultilevelCache cache = this.cacheMap.get(name);
49        if (cache == null && dynamic) {
50            synchronized (this.cacheMap) {
51                cache = this.cacheMap.get(name);
52                if (cache == null) {
53                    cache = createMultilevelCache(name);
54                    this.cacheMap.put(name, cache);
55                }
56                return cache;
57            }
58      }
59      return cache;
60    }
61
62    @Override
63    public Collection<String> getCacheNames() {
64        return Collections.unmodifiableSet(this.cacheMap.keySet());
65    }
66
67    /**
68     * 一级缓存
69     * @param name
70     * @return
71     */
72    protected abstract Cache getFirstCache(String name);
73
74    /**
75     * 二级缓存
76     * @param name
77     * @return
78     */
79    protected abstract Cache getSecondCache(String name);
80
81    public boolean isDynamic() {
82        return dynamic;
83    }
84
85    public void setDynamic(boolean dynamic) {
86        this.dynamic = dynamic;
87    }
88
89    public boolean isEnableFirstCache() {
90        return enableFirstCache;
91    }
92
93    public void setEnableFirstCache(boolean enableFirstCache) {
94        this.enableFirstCache = enableFirstCache;
95    }
96
97    public String getUmpKeyPrefix() {
98        return umpKeyPrefix;
99    }
100
101    public void setUmpKeyPrefix(String umpKeyPrefix) {
102        this.umpKeyPrefix = umpKeyPrefix;
103    }
104}

基于jimDB Caffiene缓存实现多级缓存管理器

1
2/**
3 * 二级缓存实现
4 * caffeine + jimDB 二级缓存
5 * @author wangzhen520
6 * @date 2022/12/9
7 */
8public class CaffeineJimMultilevelCacheManager extends AbstractMultilevelCacheManager {
9
10    private CaffeineCacheManager caffeineCacheManager;
11
12    private JimCacheManager jimCacheManager;
13
14    public CaffeineJimMultilevelCacheManager(CaffeineCacheManager caffeineCacheManager, JimCacheManager jimCacheManager) {
15        this.caffeineCacheManager = caffeineCacheManager;
16        this.jimCacheManager = jimCacheManager;
17        caffeineCacheManager.setAllowNullValues(this.allowNullValues);
18    }
19
20    /**
21     * 一级缓存实现
22     * 基于caffeine实现
23     * @see org.springframework.cache.caffeine.CaffeineCache
24     * @param name
25     * @return
26     */
27    @Override
28    protected Cache getFirstCache(String name) {
29        if(!isEnableFirstCache()){
30            return null;
31        }
32        return caffeineCacheManager.getCache(name);
33    }
34
35    /**
36     * 二级缓存基于jimDB实现
37     * @see com.jd.jim.cli.springcache.JimStringCache
38     * @param name
39     * @return
40     */
41    @Override
42    protected Cache getSecondCache(String name) {
43        return jimCacheManager.getCache(name);
44    }
45}

缓存配置

1/**
2 * @author wangzhen520
3 * @date 2022/12/9
4 */
5@Configuration
6@EnableCaching
7public class CacheConfiguration {
8
9    /**
10     * 基于caffeine + JimDB 多级缓存Manager
11     * @param firstCacheManager
12     * @param secondCacheManager
13     * @return
14     */
15    @Primary
16    @Bean(name = "caffeineJimCacheManager")
17    public CacheManager multilevelCacheManager(@Param("firstCacheManager") CaffeineCacheManager firstCacheManager,
18                                               @Param("secondCacheManager") JimCacheManager secondCacheManager){
19        CaffeineJimMultilevelCacheManager cacheManager = new CaffeineJimMultilevelCacheManager(firstCacheManager, secondCacheManager);
20        cacheManager.setUmpKeyPrefix(String.format("%s.%s", UmpConstants.Key.PREFIX, UmpConstants.SYSTEM_NAME));
21        cacheManager.setEnableFirstCache(true);
22        cacheManager.setDynamic(true);
23        return cacheManager;
24    }
25
26    /**
27     * 一级缓存Manager
28     * @return
29     */
30    @Bean(name = "firstCacheManager")
31    public CaffeineCacheManager firstCacheManager(){
32        CaffeineCacheManager firstCacheManager = new CaffeineCacheManager();
33        firstCacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
34                .initialCapacity(firstCacheInitialCapacity)
35                .maximumSize(firstCacheMaximumSize)
36                .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(firstCacheDurationSeconds)));
37        firstCacheManager.setAllowNullValues(true);
38        return firstCacheManager;
39    }
40
41    /**
42     * 初始化二级缓存Manager
43     * @param jimClientLF
44     * @return
45     */
46    @Bean(name = "secondCacheManager")
47    public JimCacheManager secondCacheManager(@Param("jimClientLF") Cluster jimClientLF){
48        JimDbCache jimDbCache = new JimDbCache<>();
49        jimDbCache.setJimClient(jimClientLF);
50        jimDbCache.setKeyPrefix(MultilevelCacheConstants.SERVICE_RULE_MATCH_CACHE);
51        jimDbCache.setEntryTimeout(secondCacheExpireSeconds);
52        jimDbCache.setValueSerializer(new JsonStringSerializer(ServiceRuleMatchResult.class));
53        JimCacheManager secondCacheManager = new JimCacheManager();
54        secondCacheManager.setCaches(Arrays.asList(jimDbCache));
55        return secondCacheManager;
56    }

接口性能压测

压测环境

廊坊4C8G * 3

压测结果

1、50并发时，未开启缓存，压测5min，TP99: 67ms，TP999: 223ms，TPS：2072.39笔/秒，此时服务引擎cpu利用率40%左右；订购履约cpu利用率70%左右，磁盘使用率4min后被打满；

2、50并发时，开启二级缓存，压测10min，TP99: 33ms，TP999: 38ms，TPS：28521.18.笔/秒，此时服务引擎cpu利用率90%左右，订购履约cpu利用率10%左右，磁盘使用率3%左右；

缓存命中分析

总调用次数：1840486/min 一级缓存命中：1822820 /min 二级缓存命中：14454/min
一级缓存命中率：99.04%
二级缓存命中率：81.81%

压测数据

未开启缓存

开启多级缓存

监控数据

未开启缓存

下游应用由于4分钟后磁盘打满，性能到达瓶颈

接口UMP

服务引擎系统

订购履约系统

开启缓存

上游系统CPU利用率90%左右，下游系统调用量明显减少，CPU利用率仅10%左右

基于Spring Cache实现Caffeine、jimDB多级缓存实战

作者：京东零售王震

背景

Spring Cache实现多级缓存

多级缓存实例MultilevelCache

多级缓存管理器抽象

基于jimDB Caffiene缓存实现多级缓存管理器

缓存配置

接口性能压测

压测环境

压测结果

缓存命中分析

压测数据

未开启缓存

开启多级缓存

监控数据

未开启缓存

接口UMP

服务引擎系统

订购履约系统

开启缓存

接口UMP

服务引擎系统

订购履约系统：

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作者： 京东零售 王震

背景

Spring Cache实现多级缓存

多级缓存实例MultilevelCache

多级缓存管理器抽象

基于jimDB Caffiene缓存实现多级缓存管理器

缓存配置

接口性能压测

压测环境

压测结果

缓存命中分析

压测数据

未开启缓存

开启多级缓存

监控数据

未开启缓存

接口UMP

服务引擎系统

订购履约系统

开启缓存

接口UMP

服务引擎系统

订购履约系统：

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