在Nodejs中實現(xiàn)一個緩存系統(tǒng)的方法詳解

更新時間：2024年03月26日 08:43:23 作者：Knockkk

在數(shù)據(jù)庫查詢遇到瓶頸時,我們通常可以采用緩存來提升查詢速度,同時緩解數(shù)據(jù)庫壓力,在一些簡單場景中,我們也可以自己實現(xiàn)一個緩存系統(tǒng),避免使用額外的緩存中間件,這篇文章將帶你一步步實現(xiàn)一個完善的緩存系統(tǒng),需要的朋友可以參考下

在數(shù)據(jù)庫查詢遇到瓶頸時，我們通?？梢圆捎镁彺鎭硖嵘樵兯俣?，同時緩解數(shù)據(jù)庫壓力。常用的緩存數(shù)據(jù)庫有Redis、Memcached等。在一些簡單場景中，我們也可以自己實現(xiàn)一個緩存系統(tǒng)，避免使用額外的緩存中間件。這篇文章將帶你一步步實現(xiàn)一個完善的緩存系統(tǒng)，它將包含過期清除、數(shù)據(jù)克隆、事件、大小限制、多級緩存等功能。

一個最簡單的緩存

class Cache {
  constructor() {
    this.cache = new Map();
  }

  get = (key) => {
    return this.data[key];
  };

  set = (key, value) => {
    this.data[key] = value;
  };

  del = (key) => {
    delete this.data[key];
  };
}

我們使用Map結(jié)構(gòu)來保存數(shù)據(jù)，使用方式也很簡單：

const cache = new Cache();
cache.set("a", "aaa");

cache.get("a") // aaa

添加過期時間

接下來我們嘗試為緩存設(shè)置一個過期時間。在獲取數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)過期了，則清除它。

class Cache {
  constructor(options) {
    this.cache = new Map();
    this.options = Object.assign(
      {
        stdTTL: 0, // 緩存有效期，單位為s。為0表示永不過期
      },
      options
    );
  }

  get = (key) => {
    const ret = this.cache.get(key);
    if (ret && this._check(key, ret)) {
      return ret.v;
    } else {
      return void 0;
    }
  };

  set = (key, value, ttl) => {
    ttl = ttl ?? this.options.stdTTL;
    // 設(shè)置緩存的過期時間
    this.cache.set(key, { v: value, t: ttl === 0 ? 0 : Date.now() + ttl * 1000 });
  };

  del = (key) => {
    this.cache.delete(key);
  };

  // 檢查緩存是否過期，過期則刪除
  _check = (key, data) => {
    if (data.t !== 0 && data.t < Date.now()) {
      this.del(key);
      return false;
    }
    return true;
  };
}

module.exports = Cache;

我們寫個用例來測試一下：

const cache = new Cache({ stdTTL: 1 }); // 默認緩存1s

cache.set("a", "aaa");

console.log(cache.get("a")); // 輸出: aaa

setTimeout(() => {
  console.log(cache.get("a")); // 輸出: undefined
}, 2000);

可見，超過有效期后，再次獲取時數(shù)據(jù)就不存在了。

私有屬性

前面的代碼中我們用_開頭來標明私有屬性，我們也可以通過Symbol來實現(xiàn)，像下面這樣：

const LENGTH = Symbol("length");

class Cache {
  constructor(options) {
    this[LENGTH] = options.length;
  }

  get length() {
    return this[LENGTH];
  }
}

Symbols 在 for...in 迭代中不可枚舉。另外，Object.getOwnPropertyNames() 不會返回 symbol 對象的屬性，但是你能使用 Object.getOwnPropertySymbols() 得到它們。

const cache = new Cache({ length: 100 });

Object.keys(cache); // []

Object.getOwnPropertySymbols(cache); // [Symbol(length)]

定期清除過期緩存

之前只會在get時判斷緩存是否過期，然而如果不對某個key進行g(shù)et操作，則過期緩存永遠不會被清除，導致無效的緩存堆積。接下來我們要實現(xiàn)定期自動清除過期緩存的功能。

class Cache {
  constructor(options) {
    this.cache = new Map();
    this.options = Object.assign(
      {
        stdTTL: 0, // 緩存有效期，單位為s。為0表示永不過期
        checkperiod: 600, // 定時檢查過期緩存，單位為s。小于0則不檢查
      },
      options
    );
    this._checkData();
  }

  get = (key) => {
    const ret = this.cache.get(key);
    if (ret && this._check(key, ret)) {
      return ret.v;
    } else {
      return void 0;
    }
  };

  set = (key, value, ttl) => {
    ttl = ttl ?? this.options.stdTTL;
    this.cache.set(key, { v: value, t: Date.now() + ttl * 1000 });
  };

  del = (key) => {
    this.cache.delete(key);
  };

  // 檢查是否過期，過期則刪除
  _check = (key, data) => {
    if (data.t !== 0 && data.t < Date.now()) {
      this.del(key);
      return false;
    }
    return true;
  };

  _checkData = () => {
    for (const [key, value] of this.cache.entries()) {
      this._check(key, value);
    }

    if (this.options.checkperiod > 0) {
      const timeout = setTimeout(
        this._checkData,
        this.options.checkperiod * 1000
      );

      // https://nodejs.org/api/timers.html#timeoutunref
      // 清除事件循環(huán)對timeout的引用。如果事件循環(huán)中不存在其他活躍事件，則直接退出進程
      if (timeout.unref != null) {
        timeout.unref();
      }
    }
  };
}

module.exports = Cache;

我們添加了一個checkperiod的參數(shù)，同時在初始化時開啟了定時檢查過期緩存的邏輯。這里使用了timeout.unref()來清除清除事件循環(huán)對timeout的引用，這樣如果事件循環(huán)中不存在其他活躍事件了，就可以直接退出。

const timeout = setTimeout(
  this._checkData,
  this.options.checkperiod * 1000
);

// https://nodejs.org/api/timers.html#timeoutunref
// 清除事件循環(huán)對timeout的引用。如果事件循環(huán)中不存在其他活躍事件，則直接退出進程
if (timeout.unref != null) {
  timeout.unref();
}

克隆數(shù)據(jù)

當我們嘗試在緩存中存入對象數(shù)據(jù)時，我們可能會遇到下面的問題：

const cache = new Cache();

const data = { val: 100 };

cache.set("data", data);

data.val = 101;

cache.get("data") // { val: 101 }

由于緩存中保存的是引用，可能導致緩存內(nèi)容被意外的更改，這就讓人不太放心的。為了用起來沒有顧慮，我們需要支持一下數(shù)據(jù)的克隆，也就是深拷貝。

const cloneDeep = require("lodash.clonedeep");

class Cache {
  constructor(options) {
    this.cache = new Map();
    this.options = Object.assign(
      {
        stdTTL: 0, // 緩存有效期，單位為s
        checkperiod: 600, // 定時檢查過期緩存，單位為s
        useClones: true, // 是否使用clone
      },
      options
    );
    this._checkData();
  }

  get = (key) => {
    const ret = this.cache.get(key);
    if (ret && this._check(key, ret)) {
      return this._unwrap(ret);
    } else {
      return void 0;
    }
  };

  set = (key, value, ttl) => {
    this.cache.set(key, this._wrap(value, ttl));
  };

  del = (key) => {
    this.cache.delete(key);
  };

  // 檢查是否過期，過期則刪除
  _check = (key, data) => {
    if (data.t !== 0 && data.t < Date.now()) {
      this.del(key);
      return false;
    }
    return true;
  };

  _checkData = () => {
    for (const [key, value] of this.cache.entries()) {
      this._check(key, value);
    }

    if (this.options.checkperiod > 0) {
      const timeout = setTimeout(
        this._checkData,
        this.options.checkperiod * 1000
      );

      if (timeout.unref != null) {
        timeout.unref();
      }
    }
  };

  _unwrap = (value) => {
    return this.options.useClones ? cloneDeep(value.v) : value.v;
  };

  _wrap = (value, ttl) => {
    ttl = ttl ?? this.options.stdTTL;
    return {
      t: ttl === 0 ? 0 : Date.now() + ttl * 1000,
      v: this.options.useClones ? cloneDeep(value) : value,
    };
  };
}

我們使用lodash.clonedeep來實現(xiàn)深拷貝，同時添加了一個useClones的參數(shù)來設(shè)置是否需要克隆數(shù)據(jù)。需要注意，在對象較大時使用深拷貝是比較消耗時間的。我們可以根據(jù)實際情況來決定是否需要使用克隆，或?qū)崿F(xiàn)更高效的拷貝方法。

添加事件

有時我們需要在緩存數(shù)據(jù)過期時執(zhí)行某些邏輯，所以我們可以在緩存上添加事件。我們需要使用到EventEmitter類。

const { EventEmitter } = require("node:events");
const cloneDeep = require("lodash.clonedeep");

class Cache extends EventEmitter {
  constructor(options) {
    super();

    this.cache = new Map();
    this.options = Object.assign(
      {
        stdTTL: 0, // 緩存有效期，單位為s
        checkperiod: 600, // 定時檢查過期緩存，單位為s
        useClones: true, // 是否使用clone
      },
      options
    );
    this._checkData();
  }

  get = (key) => {
    const ret = this.cache.get(key);
    if (ret && this._check(key, ret)) {
      return this._unwrap(ret);
    } else {
      return void 0;
    }
  };

  set = (key, value, ttl) => {
    this.cache.set(key, this._wrap(value, ttl));

    this.emit("set", key, value);
  };

  del = (key) => {
    this.cache.delete(key);

    this.emit("del", key, oldVal.v);
  };

  // 檢查是否過期，過期則刪除
  _check = (key, data) => {
    if (data.t !== 0 && data.t < Date.now()) {
      this.emit("expired", key, data.v);

      this.del(key);
      return false;
    }
    return true;
  };

  _checkData = () => {
    for (const [key, value] of this.cache.entries()) {
      this._check(key, value);
    }

    if (this.options.checkperiod > 0) {
      const timeout = setTimeout(
        this._checkData,
        this.options.checkperiod * 1000
      );

      if (timeout.unref != null) {
        timeout.unref();
      }
    }
  };

  _unwrap = (value) => {
    return this.options.useClones ? cloneDeep(value.v) : value.v;
  };

  _wrap = (value, ttl) => {
    ttl = ttl ?? this.options.stdTTL;
    return {
      t: ttl === 0 ? 0 : Date.now() + ttl * 1000,
      v: this.options.useClones ? cloneDeep(value) : value,
    };
  };
}

module.exports = Cache;

繼承EventEmitter類后，我們只需在判斷數(shù)據(jù)過期時通過this.emit()觸發(fā)事件即可。如下：

this.emit("expired", key, value);

這樣使用緩存時就能監(jiān)聽過期事件了。

const cache = new Cache({ stdTTL: 1 });

cache.on("expired", (key ,value) => {
  // ...
})

到這里，我們基本上就實現(xiàn)了node-cache庫的核心邏輯了。

限制緩存大小?。?/h2>

稍等，我們似乎忽略了一個重要的點。在高并發(fā)請求下，如果緩存激增，則內(nèi)存會有被耗盡的風險。無論如何，緩存只是用來優(yōu)化的，它不能影響主程序的正常運行。所以，限制緩存大小至關(guān)重要！

我們需要在緩存超過最大限制時自動清理緩存，一個常用的清除算法就是LRU，即清除最近最少使用的那部分數(shù)據(jù)。這里使用了yallist來實現(xiàn)LRU隊列，方案如下：

LRU隊列里的首部保存最近使用的數(shù)據(jù)，最近最少使用的數(shù)據(jù)則會移動到隊尾。在緩存超過最大限制時，優(yōu)先移除隊列尾部數(shù)據(jù)。
執(zhí)行g(shù)et/set操作時，將此數(shù)據(jù)節(jié)點移動/插入到隊首。
緩存超過最大限制時，移除隊尾數(shù)據(jù)。

const { EventEmitter } = require("node:events");
const clone = require("clone");
const Yallist = require("yallist");

class Cache extends EventEmitter {
  constructor(options) {
    super();

    this.options = Object.assign(
      {
        stdTTL: 0, // 緩存有效期，單位為s
        checkperiod: 600, // 定時檢查過期緩存，單位為s
        useClones: true, // 是否使用clone
        lengthCalculator: () => 1, // 計算長度
        maxLength: 1000,
      },
      options
    );
    this._length = 0;
    this._lruList = new Yallist();
    this._cache = new Map();
    this._checkData();
  }

  get length() {
    return this._length;
  }

  get data() {
    return Array.from(this._cache).reduce((obj, [key, node]) => {
      return { ...obj, [key]: node.value.v };
    }, {});
  }

  get = (key) => {
    const node = this._cache.get(key);
    if (node && this._check(node)) {
      this._lruList.unshiftNode(node); // 移動到隊首
      return this._unwrap(node.value);
    } else {
      return void 0;
    }
  };

  set = (key, value, ttl) => {
    const { lengthCalculator, maxLength } = this.options;

    const len = lengthCalculator(value, key);
    // 元素本身超過最大長度，設(shè)置失敗
    if (len > maxLength) {
      return false;
    }

    if (this._cache.has(key)) {
      const node = this._cache.get(key);
      const item = node.value;

      item.v = value;
      this._length += len - item.l;
      item.l = len;

      this.get(node); // 更新lru
    } else {
      const item = this._wrap(key, value, ttl, len);
      this._lruList.unshift(item); // 插入到隊首
      this._cache.set(key, this._lruList.head);
      this._length += len;
    }

    this._trim();
    this.emit("set", key, value);
    return true;
  };

  del = (key) => {
    if (!this._cache.has(key)) {
      return false;
    }
    const node = this._cache.get(key);
    this._del(node);
  };

  _del = (node) => {
    const item = node.value;
    this._length -= item.l;
    this._cache.delete(item.k);
    this._lruList.removeNode(node);

    this.emit("del", item.k, item.v);
  };

  // 檢查是否過期，過期則刪除
  _check = (node) => {
    const item = node.value;
    if (item.t !== 0 && item.t < Date.now()) {
      this.emit("expired", item.k, item.v);

      this._del(node);
      return false;
    }

    return true;
  };

  _checkData = () => {
    for (const node of this._cache) {
      this._check(node);
    }

    if (this.options.checkperiod > 0) {
      const timeout = setTimeout(
        this._checkData,
        this.options.checkperiod * 1000
      );

      if (timeout.unref != null) {
        timeout.unref();
      }
    }
  };

  _unwrap = (item) => {
    return this.options.useClones ? clone(item.v) : item.v;
  };

  _wrap = (key, value, ttl, length) => {
    ttl = ttl ?? this.options.stdTTL;
    return {
      k: key,
      v: this.options.useClones ? clone(value) : value,
      t: ttl === 0 ? 0 : Date.now() + ttl * 1000,
      l: length,
    };
  };

  _trim = () => {
    const { maxLength } = this.options;

    let walker = this._lruList.tail;
    while (this._length > maxLength && walker !== null) {
      // 刪除隊尾元素
      const prev = walker.prev;
      this._del(walker);
      walker = prev;
    }
  };
}

代碼中還增加了兩個額外的配置選項：

options = {
  lengthCalculator: () => 1, // 計算長度
  maxLength: 1000, // 緩存最大長度
}

lengthCalculator支持我們自定義數(shù)據(jù)長度的計算方式。默認情況下maxLength指的就是緩存數(shù)據(jù)的數(shù)量。然而在遇到Buffer類型的數(shù)據(jù)時，我們可能希望限制最大的字節(jié)數(shù)，那么就可以像下面這樣定義：

const cache = new Cache({
  maxLength: 500,
  lengthCalculator: (value) => {
    return value.length;
  },
});

const data = Buffer.alloc(100);
cache.set("data", data);

console.log(cache.length); // 100

這一部分的代碼就是參考社區(qū)中的lru-cache實現(xiàn)的。

多級緩存

如果應(yīng)用本身已經(jīng)依賴了數(shù)據(jù)庫的話，我們不妨再加一層數(shù)據(jù)庫緩存，來實現(xiàn)多級緩存：將內(nèi)存作為一級緩存（容量小，速度快），將數(shù)據(jù)庫作為二級緩存（容量大，速度慢） 。有兩個優(yōu)點：

能夠存儲的緩存數(shù)據(jù)大大增加。雖然數(shù)據(jù)庫緩存查詢速度比內(nèi)存慢，但相比原始查詢還是要快得多的。
重啟應(yīng)用時能夠從數(shù)據(jù)庫恢復緩存。

通過下面的方法可以實現(xiàn)一個多級緩存：

function multiCaching(caches) {
  return {
    get: async (key) => {
      let value, i;
      for (i = 0; i < caches.length; i++) {
        try {
          value = await caches[i].get(key);
          if (value !== undefined) break;
        } catch (e) {}
      }

      // 如果上層緩存沒查到，下層緩存查到了，需要同時更新上層緩存
      if (value !== undefined && i > 0) {
        Promise.all(
          caches.slice(0, i).map((cache) => cache.set(key, value))
        ).then();
      }

      return value;
    },
    set: async (key, value) => {
      await Promise.all(caches.map((cache) => cache.set(key, value)));
    },
    del: async (key) => {
      await Promise.all(caches.map((cache) => cache.del(key)));
    },
  };
}

const multiCache = multiCaching([memoryCache, dbCache]);
multiCache.set(key, value)

dbCache對數(shù)據(jù)量大小不是那么敏感，我們可以在執(zhí)行g(shù)et/set操作時設(shè)置數(shù)據(jù)的最近使用時間，并在某個時刻清除最近未使用數(shù)據(jù)，比如在每天的凌晨自動清除超過30天未使用的數(shù)據(jù)。

另外我們還需要在初始化時加載數(shù)據(jù)庫緩存到內(nèi)存中，比如按最近使用時間倒序返回3000條數(shù)據(jù)，并存儲到內(nèi)存緩存中。