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手写MyBatis第78弹：装饰器模式在MyBatis二级缓存中的应用：从LRU到防击穿的全方案实现

news 2025/9/28 10:25:36

  1. MyBatis二级缓存装饰器模式深度解析：从LRU到防击穿的全方案实现

  2. 手写MyBatis缓存装饰器：SynchronizedCache与BlockingCache实战

  3. 装饰器模式在MyBatis缓存中的应用：灵活组合的架构设计

  4. 二级缓存高级特性：序列化、LRU淘汰、日志统计完整实现

  5. MyBatis缓存装饰器链：如何设计可扩展的CacheBuilder

目录

正文

一、装饰器模式在缓存架构中的核心价值

装饰器模式 vs 继承的优劣对比

二、核心缓存装饰器实现详解

1. SynchronizedCache：线程安全的基础保障

2. LoggingCache：缓存命中率监控

3. SerializedCache：对象序列化与副本保护

4. LruCache：内存资源智能管理

5. BlockingCache：防止缓存击穿的保护盾

三、CacheBuilder：装饰器的灵活组合器

四、装饰器执行顺序的架构考量

正确的顺序设计

顺序设计原则

五、生产环境中的装饰器实践

1. 性能敏感场景的优化

2. 分布式缓存集成

3. 缓存预热策略

六、装饰器模式的架构思想延伸

七、总结

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我们常常在当下感到时间慢，觉得未来遥远，但一旦回头看，时间已经悄然流逝。对于未来，尽管如此，也应该保持一种从容的态度，相信未来仍有许多可能性等待着我们。

    正文

    一、装饰器模式在缓存架构中的核心价值

    装饰器模式（Decorator Pattern）是MyBatis二级缓存架构的精髓所在。它通过动态组合的方式，为缓存功能添加各种增强特性，而不需要修改原有的缓存实现。这种设计符合开闭原则，使得系统具有良好的扩展性和灵活性。

    装饰器模式 vs 继承的优劣对比

    • 继承的局限性：如果使用继承，要实现所有功能组合需要创建大量子类

    • 装饰器的优势：通过组合方式，可以动态地、透明地添加功能

    二、核心缓存装饰器实现详解

    1. SynchronizedCache：线程安全的基础保障
    public class SynchronizedCache implements Cache {private final Cache delegate;public SynchronizedCache(Cache delegate) {this.delegate = delegate;}@Overridepublic synchronized void putObject(Object key, Object value) {delegate.putObject(key, value);}@Overridepublic synchronized Object getObject(Object key) {return delegate.getObject(key);}@Overridepublic synchronized Object removeObject(Object key) {return delegate.removeObject(key);}@Overridepublic synchronized void clear() {delegate.clear();}// 其他方法委托给delegate}

    设计要点：所有修改操作都需要同步，但同步粒度较粗，适合并发量不高的场景。

    2. LoggingCache：缓存命中率监控
     public class LoggingCache implements Cache {private final Cache delegate;private int hits = 0;private int requests = 0;public LoggingCache(Cache delegate) {this.delegate = delegate;}@Overridepublic Object getObject(Object key) {requests++;Object value = delegate.getObject(key);if (value != null) {hits++;}if (requests % 100 == 0) { // 每100次请求输出日志logHitRatio();}return value;}private void logHitRatio() {double ratio = (double) hits / requests * 100;System.out.printf("缓存命中率: %.2f%% (命中: %d, 总请求: %d)%n", ratio, hits, requests);}}

    监控价值：通过命中率分析缓存效果，指导缓存策略优化。

    3. SerializedCache：对象序列化与副本保护

    这是二级缓存中最关键的装饰器，解决对象共享的核心问题：

    public class SerializedCache implements Cache {private final Cache delegate;public SerializedCache(Cache delegate) {this.delegate = delegate;}@Overridepublic void putObject(Object key, Object value) {if (value == null || value instanceof Serializable) {delegate.putObject(key, serialize((Serializable) value));} else {throw new CacheException("缓存对象必须实现Serializable接口");}}@Overridepublic Object getObject(Object key) {Object value = delegate.getObject(key);return value != null ? deserialize((byte[]) value) : null;}private byte[] serialize(Serializable value) {try (ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos)) {oos.writeObject(value);return bos.toByteArray();} catch (IOException e) {throw new CacheException("序列化失败", e);}}private Serializable deserialize(byte[] value) {try (ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(value);ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis)) {return (Serializable) ois.readObject();} catch (Exception e) {throw new CacheException("反序列化失败", e);}}}

    为什么必须使用SerializedCache？

    1. 对象隔离：不同SqlSession获取的是不同对象实例，避免并发修改冲突

    2. 深度复制：确保缓存对象的完整性，防止浅拷贝带来的数据不一致

    3. 跨JVM支持：为分布式缓存奠定基础

    4. LruCache：内存资源智能管理
     public class LruCache implements Cache {private final Cache delegate;private final LinkedHashMap<Object, Object> keyMap;private Object eldestKey;public LruCache(Cache delegate, final int size) {this.delegate = delegate;this.keyMap = new LinkedHashMap<Object, Object>(size, 0.75f, true) {@Overrideprotected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Object, Object> eldest) {boolean tooBig = size() > size;if (tooBig) {eldestKey = eldest.getKey();}return tooBig;}};}@Overridepublic void putObject(Object key, Object value) {delegate.putObject(key, value);cycleKeyList(key);}@Overridepublic Object getObject(Object key) {keyMap.get(key); // 触发访问顺序更新return delegate.getObject(key);}private void cycleKeyList(Object key) {keyMap.put(key, key);if (eldestKey != null) {delegate.removeObject(eldestKey);eldestKey = null;}}}

    LRU算法精髓：通过LinkedHashMap的访问顺序特性，自动维护最近使用顺序。

    5. BlockingCache：防止缓存击穿的保护盾
     public class BlockingCache implements Cache {private final Cache delegate;private final ConcurrentHashMap<Object, ReentrantLock> locks;public BlockingCache(Cache delegate) {this.delegate = delegate;this.locks = new ConcurrentHashMap<>();}@Overridepublic Object getObject(Object key) {acquireLock(key);try {return delegate.getObject(key);} finally {releaseLock(key);}}@Overridepublic void putObject(Object key, Object value) {try {delegate.putObject(key, value);} finally {releaseLock(key);}}private void acquireLock(Object key) {Lock lock = locks.computeIfAbsent(key, k -> new ReentrantLock());lock.lock();}private void releaseLock(Object key) {Lock lock = locks.get(key);if (lock != null) {lock.unlock();locks.remove(key); // 清理空闲锁}}}

    防击穿原理：当多个线程同时查询同一个不存在的数据时，只有一个线程会访问数据库，其他线程等待结果。

    三、CacheBuilder：装饰器的灵活组合器

     public class CacheBuilder {private Cache delegate;public CacheBuilder(Cache delegate) {this.delegate = new PerpetualCache("default");}public CacheBuilder size(int size) {this.delegate = new LruCache(delegate, size);return this;}public CacheBuilder blocking() {this.delegate = new BlockingCache(delegate);return this;}public CacheBuilder serialized() {this.delegate = new SerializedCache(delegate);return this;}public CacheBuilder logging() {this.delegate = new LoggingCache(delegate);return this;}public CacheBuilder synchronized() {this.delegate = new SynchronizedCache(delegate);return this;}public Cache build() {return delegate;}}​// 使用示例Cache cache = new CacheBuilder(new PerpetualCache("userCache")).size(1000).serialized().blocking().logging().build();

    建造者模式优势：通过链式调用，直观地组合各种缓存特性。

    四、装饰器执行顺序的架构考量

    装饰器的包装顺序直接影响缓存行为：

    正确的顺序设计
     // 推荐顺序：从内到外Cache cache = new LoggingCache(           // 最外层：监控统计new BlockingCache(       // 防击穿保护new SynchronizedCache(   // 线程安全new SerializedCache(     // 序列化new LruCache(            // 淘汰策略new PerpetualCache()     // 基础存储)))));
    顺序设计原则

    1. 基础功能在内层：PerpetualCache作为存储核心

    2. 数据转换靠近核心：SerializedCache应在内层确保数据格式统一

    3. 并发控制在中层：SynchronizedCache/BlockingCache控制并发访问

    4. 监控统计在外层：LoggingCache最后包装以统计完整链路

    五、生产环境中的装饰器实践

    1. 性能敏感场景的优化
     // 高并发读场景：使用读写锁替代同步锁public class ReadWriteCache implements Cache {private final Cache delegate;private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();@Overridepublic Object getObject(Object key) {rwLock.readLock().lock();try {return delegate.getObject(key);} finally {rwLock.readLock().unlock();}}}
    2. 分布式缓存集成
     // Redis缓存装饰器public class RedisCache implements Cache {private final JedisPool jedisPool;private final String namespace;@Overridepublic void putObject(Object key, Object value) {try (Jedis jedis = jedisPool.getResource()) {jedis.setex(buildRedisKey(key), expireTime, serialize(value));}}}
    3. 缓存预热策略
     public class WarmUpCache implements Cache {private final Cache delegate;private final ScheduledExecutorService scheduler;public void scheduleWarmUp() {scheduler.scheduleAtFixedRate(this::warmUp, 0, 30, TimeUnit.MINUTES);}}

    六、装饰器模式的架构思想延伸

    装饰器模式的价值不仅限于缓存实现，它体现了重要的软件设计原则：

    1. 单一职责原则：每个装饰器只关注一个特定功能

    2. 开闭原则：新增功能不需要修改现有代码

    3. 组合优于继承：通过组合实现功能的灵活扩展

    这种设计思想可以应用到：

    • 日志系统的Appender装饰

    • 网络连接的Filter链

    • 业务逻辑的Interceptor栈

    七、总结

    MyBatis二级缓存的装饰器体系展示了优秀架构设计的魅力。通过合理的装饰器组合，可以构建出功能强大、性能优越、可维护性高的缓存系统。

    关键收获：

    • 装饰器模式实现了功能的正交组合

    • SerializedCache解决了对象共享的核心问题

    • BlockingCache有效防止缓存击穿

    • CacheBuilder提供了优雅的配置方式

    • 装饰器顺序影响系统行为和性能

    在实际项目中，应根据具体场景选择合适的装饰器组合，并通过监控数据持续优化缓存策略。

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