C# .NET 中的缓存实现详情

软件开发中最常用的模式之一是缓存，其包括进程内缓存、持久性进程内缓存和分布式缓存，本文我们将主要介绍进程内缓存，需要的朋友可以参考下面文章的具体内容

一、缓存的基本概念

缓存。这是一个简单但非常有效的概念，这个想法的核心是记录过程数据，重用操作结果。当执行繁重的操作时，我们会将结果保存在我们的缓存容器中。下次我们需要该结果时，我们将从缓存容器中拉出它，而不是再次执行繁重的操作。

例如，要获取一个人的头像，您可能需要访问数据库。我们不会每次都执行那次旅行，而是将 Avatar 保存在缓存中，每次需要时从内存中提取它。

缓存非常适用于不经常更改的数据。或者甚至更好，永远不会改变。不断变化的数据，比如当前机器的时间不应该被缓存，否则你会得到错误的结果。

二、缓存

有 3 种类型的缓存：

In-Memory Cache： 用于在单个进程中实现缓存。当进程终止时，缓存也随之终止。如果您在多台服务器上运行相同的进程，您将为每台服务器提供一个单独的缓存。
持久性进程内缓存： 是指在进程内存之外备份缓存。它可能在文件中，也可能在数据库中。这比较困难，但如果您的进程重新启动，缓存不会丢失。最适合在获取缓存项的情况下使用范围广泛，并且您的进程往往会重新启动很多。
分布式缓存： 是指您希望为多台机器共享缓存。通常，它将是多个服务器。使用分布式缓存，它存储在外部服务中。这意味着如果一台服务器保存了一个缓存项，其他服务器也可以使用它。像 Redis [1] 这样的服务非常适合这一点。

我们将只讨论 进程内缓存 。

三、进程内缓存早期做法

让我们用 C# 创建一个非常简单的缓存实现：

 public class NaiveCache { Dictionary _cache = new Dictionary(); public TItem GetOrCreate(object key, Func createItem) { if (!_cache.ContainsKey(key)) { _cache[key] = createItem(); } return _cache[key]; } }

用法：

 var _avatarCache = new NaiveCache(); // ... var myAvatar = _avatarCache.GetOrCreate(userId, () => _database.GetAvatar(userId));

这个简单的代码解决了一个关键问题。要获取用户的头像，只有第一个请求才会真正执行到数据库的访问。然后将头像数据 ( byte[] ) 保存在进程内存中。对头像的所有后续请求都将从内存中提取，从而节省时间和资源。

但是，正如编程中的大多数事情一样，没有什么是那么简单的。由于多种原因，上述解决方案并不好。一方面，这个实现不是线程安全的 。从多个线程使用时可能会发生异常。除此之外，缓存的项目将永远留在内存中，这实际上非常糟糕。

这就是我们应该从缓存中删除项目的原因：

缓存会占用大量内存，最终导致内存不足异常和崩溃。
高内存消耗会导致 GC 压力（又名内存压力）。在这种状态下，垃圾收集器的工作量超出其应有的水平，从而损害了性能。
如果数据发生变化，可能需要刷新缓存。我们的缓存基础设施应该支持这种能力。

为了处理这些问题，缓存框架具有驱逐策略（又名移除策略）。这些是根据某些逻辑从缓存中删除项目的规则。常见的驱逐政策有：

无论如何， 绝对过期 策略将在固定时间后从缓存中删除项目。
如果在固定的时间段内未访问某个项目，则 滑动过期 策略将从缓存中删除该项目。因此，如果我将过期时间设置为 1 分钟，只要我每 30 秒使用一次，该项目就会一直保留在缓存中。一旦我超过一分钟不使用它，该物品就会被驱逐。
大小限制 策略将限制缓存内存大小。

现在我们知道我们需要什么，让我们继续寻找更好的解决方案。

四、更好的解决方案

作为一名博主，令我非常沮丧的是，微软已经创建了一个很棒的缓存实现。这剥夺了我自己创建类似实现的乐趣，但至少我写这篇博文的工作量减少了。

我将向您展示微软的解决方案，如何有效地使用它，然后在某些场景中如何改进它。

System.Runtime.Caching/MemoryCache 与 Microsoft.Extensions.Caching.Memory

Microsoft 有 2 个解决方案 2 个不同的 NuGet 包用于缓存。两者都很棒。根据 Microsoft 的建议，更喜欢使用， Microsoft.Extensions.Caching.Memory 因为它与 Asp.NET Core 集成得更好。它可以很容易地注入到 Asp .NET Core 的依赖注入机制中。

1、 Microsoft.Extensions.Caching.Memory

这是一个基本示例 Microsoft.Extensions.Caching.Memory ：

 public class SimpleMemoryCache { private MemoryCache _cache = new MemoryCache(new MemoryCacheOptions()); public TItem GetOrCreate(object key, Func createItem) { TItem cacheEntry; if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry))// Look for cache key. { // Key not in cache, so get data. cacheEntry = createItem(); // Save data in cache. _cache.Set(key, cacheEntry); } return cacheEntry; } }

用法：

 var _avatarCache = new SimpleMemoryCache(); // ... var myAvatar = _avatarCache.GetOrCreate(userId, () => _database.GetAvatar(userId));

这和我自己的非常相似 NaiveCache ，所以有什么改变？嗯，一方面，这是一个 线程安全的实现。您可以一次从多个线程安全地调用它。

第二件事是 MemoryCache 允许我们之前谈到的所有驱逐政策。

下面是一个例子：

2、具有驱逐策略的 IMemoryCache

 public class MemoryCacheWithPolicy { private MemoryCache _cache = new MemoryCache(new MemoryCacheOptions() { SizeLimit = 1024 }); public TItem GetOrCreate(object key, Func createItem) { TItem cacheEntry; if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry))// Look for cache key. { // Key not in cache, so get data. cacheEntry = createItem(); var cacheEntryOptions = new MemoryCacheEntryOptions() .SetSize(1)//Size amount //Priority on removing when reaching size limit (memory pressure) .SetPriority(CacheItemPriority.High) // Keep in cache for this time, reset time if accessed. .SetSlidingExpiration(TimeSpan.FromSeconds(2)) // Remove from cache after this time, regardless of sliding expiration .SetAbsoluteExpiration(TimeSpan.FromSeconds(10)); // Save data in cache. _cache.Set(key, cacheEntry, cacheEntryOptions); } return cacheEntry; } }

SizeLimit 被添加到 MemoryCacheOptions . 这为我们的缓存容器添加了基于大小的策略。大小没有单位。相反，我们需要在每个缓存条目上设置大小数量。在这种情况下，我们每次将金额设置为 1 SetSize(1) 。这意味着缓存限制为 1024 个项目。
当我们达到大小限制时，应该删除哪个缓存项？您实际上可以使用 .SetPriority(CacheItemPriority.High) . 级别为 Low、Normal、High 和 NeverRemove 。
SetSlidingExpiration(TimeSpan.FromSeconds(2)) 添加了，它将滑动过期时间设置为 2 秒。这意味着如果一个项目在 2 秒内未被访问，它将被删除。
SetAbsoluteExpiration(TimeSpan.FromSeconds(10)) 添加了，将绝对过期时间设置为 10 秒。这意味着该项目将在 10 秒内被驱逐，如果它还没有。
除了示例中的选项之外，您还可以设置一个 RegisterPostEvictionCallback 委托，该委托将在项目被驱逐时调用。
这是一个非常全面的功能集。它让你想知道是否还有什么要添加的。实际上有几件事。

3、问题和缺失的功能

在这个实现中有几个重要的缺失部分。

虽然您可以设置大小限制，但缓存实际上并不监控 gc 压力。如果真的监测，压力大的时候可以收紧政策，压力小的时候可以放松政策。
当多个线程同时请求同一个项目时，请求不会等待第一个完成。该项目将被创建多次。例如，假设我们正在缓存头像，从数据库中获取头像需要 10 秒。如果我们在第一次请求后 2 秒请求头像，它将检查头像是否已缓存（尚未缓存），并开始另一次访问数据库。

事实上，这是一个 MemoryCache 完全解决它的实现：

 public class WaitToFinishMemoryCache { private MemoryCache _cache = new MemoryCache(new MemoryCacheOptions()); private ConcurrentDictionary _locks = new ConcurrentDictionary(); public async Task GetOrCreate(object key, Func> createItem) { TItem cacheEntry; if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry))// Look for cache key. { SemaphoreSlim mylock = _locks.GetOrAdd(key, k => new SemaphoreSlim(1, 1)); await mylock.WaitAsync(); try { if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry)) { // Key not in cache, so get data. cacheEntry = await createItem(); _cache.Set(key, cacheEntry); } } finally { mylock.Release(); } } return cacheEntry; } }

用法：

 var _avatarCache = new WaitToFinishMemoryCache(); // ... var myAvatar = await _avatarCache.GetOrCreate(userId, async () => await _database.GetAvatar(userId));