【缓存】JAVA本地缓存推荐Caffeine和Guava

🌟 引言

在软件开发过程中，缓存是提升系统性能的常用手段。对于基础场景，直接使用 Java集合框架（如Map/Set/List）即可满足需求。然而，当面对更复杂的缓存场景时：

• 需要支持多种过期策略（基于时间、访问频率等）
• 要求自动淘汰机制
• 需要线程安全等高级特性

自行实现这些功能往往复杂度较高。本文将介绍 Java 生态中成熟的两大主流本地缓存解决方案：Caffeine（新一代缓存之王）和Guava Cache（经典缓存方案）。

📊 核心维度对比

🚀 Caffeine

Caffeine 是一个性能ISS（In-Space Sizing）的缓存框架，它使用无锁算法和分段锁机制，以更优的方式优化了缓存淘汰算法。Caffeine 的设计目标为极致性能，并针对一些常见的场景进行了优化。

🌟 特性

• 无锁算法和分段锁机制，以更优的方式优化了缓存淘汰算法。
• 高命中率，通过优化淘汰算法，Caffeine 显著提高缓存命中率。
• 更低内存开销，Caffeine 使用更小的内存结构，从而减少内存消耗。
• 线程安全，Caffeine 支持并发操作，保证线程安全。

🌟 如何使用

<dependency>
  <groupId>com.github.ben-manes.caffeine</groupId>
  <artifactId>caffeine</artifactId>
  <version>3.2.0</version>
</dependency>

import com.github.benmanes.caffeine.cache.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CaffeineDemo {

    public static void main(String[] args) {
        basicUsageDemo();
        loadingCacheDemo();
        asyncLoadingCacheDemo();
        evictionDemo();
        statisticsDemo();
    }

    /**
     * 基础缓存操作示例
     */
    public static void basicUsageDemo() {
        System.out.println("\n=== 1. 基础缓存操作 ===");
        
        Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(5, TimeUnit.SECONDS) // 写入5秒后过期
            .maximumSize(100)                     // 最大100个条目
            .build();

        // 手动写入
        cache.put("key1", "value1");
        
        // 获取值（不存在返回null）
        String value = cache.getIfPresent("key1");
        System.out.println("获取key1: " + value);  // 输出: value1

        // 获取或计算（线程安全）
        String value2 = cache.get("key2", k -> "computed-" + k);
        System.out.println("获取key2: " + value2); // 输出: computed-key2
    }

    /**
     * 自动加载缓存示例
     */
    public static void loadingCacheDemo() {
        System.out.println("\n=== 2. 自动加载缓存 ===");
        
        LoadingCache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterAccess(3, TimeUnit.SECONDS) // 3秒未访问则过期
            .maximumSize(10)
            .build(key -> {
                // 模拟从数据库加载
                System.out.println("正在加载: " + key);
                return "db-value-" + key;
            });

        // 自动触发加载函数
        System.out.println(cache.get("user1001")); // 输出: db-value-user1001
        System.out.println(cache.get("user1001")); // 第二次直接从缓存获取
    }

    /**
     * 异步加载缓存示例
     */
    public static void asyncLoadingCacheDemo() {
        System.out.println("\n=== 3. 异步加载缓存 ===");
        
        AsyncLoadingCache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
            .maximumSize(1000)
            .buildAsync(key -> {
                // 模拟异步加载
                return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                    System.out.println("异步加载: " + key);
                    return "async-value-" + key;
                });
            });

        // 异步获取
        cache.get("id123").thenAccept(value -> {
            System.out.println("异步获取结果: " + value); // 输出: async-value-id123
        });
    }

    /**
     * 淘汰策略示例
     */
    public static void evictionDemo() {
        System.out.println("\n=== 4. 淘汰策略 ===");
        
        Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .maximumSize(3) // 测试用的小容量
            .removalListener((key, value, cause) -> 
                System.out.printf("淘汰事件: key=%s, 原因=%s\n", key, cause))
            .build();

        cache.put("k1", "v1");
        cache.put("k2", "v2");
        cache.put("k3", "v3");
        cache.put("k4", "v4"); // 触发淘汰（LRU）

        System.out.println("当前大小: " + cache.estimatedSize()); // 输出: 3
    }

    /**
     * 统计功能示例
     */
    public static void statisticsDemo() {
        System.out.println("\n=== 5. 统计功能 ===");
        
        Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
            .maximumSize(100)
            .recordStats() // 开启统计
            .build();

        cache.put("k1", "v1");
        cache.getIfPresent("k1");
        cache.getIfPresent("missingKey");

        CacheStats stats = cache.stats();
        System.out.println("命中率: " + stats.hitRate());    // 输出: 0.5
        System.out.println("命中数: " + stats.hitCount());    // 输出: 1
        System.out.println("未命中数: " + stats.missCount()); // 输出: 1
    }
}

🚀 Guava Cache

Guava Cache 是 Google 官方提供的一个缓存框架，它提供了许多高级特性，如自动加载、统计、序列化、并发控制等。与 Caffeine 不同，Guava Cache 的设计目标为简单易用，并支持更多的高级特性。

🌟 特性

• 自动加载、统计、序列化、并发控制等高级特性。
• 更高的并发控制，Guava Cache 使用更复杂的并发控制机制，以更优的方式解决并发问题。

🌟 如何使用

<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>33.4.8-jre</version>
</dependency>

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import com.google.common.cache.*;
import io.vavr.collection.List;
public class GuavaCacheDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException {
        basicUsageDemo();
        loadingCacheDemo();
        cacheRemovalListenerDemo();
        cacheStatisticsDemo();
        advancedEvictionDemo();
    }

    /**
     * 基础缓存操作示例
     */
    public static void basicUsageDemo() {
        System.out.println("\n=== 1. 基础缓存操作 ===");

        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder().expireAfterWrite(5, TimeUnit.SECONDS) // 写入5秒后过期
            .maximumSize(100) // 最大100个条目
            .concurrencyLevel(4) // 并发级别
            .build();

        // 手动写入
        cache.put("key1", "value1");

        // 获取值（不存在返回null）
        String value = cache.getIfPresent("key1");
        System.out.println("获取key1: " + value); // 输出: value1

        // 尝试获取不存在的key
        String value2 = cache.getIfPresent("key2");
        System.out.println("获取不存在的key2: " + value2); // 输出: null
    }

    /**
     * 自动加载缓存示例
     */
    public static void loadingCacheDemo() throws ExecutionException {
        System.out.println("\n=== 2. 自动加载缓存 ===");

        LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder().expireAfterAccess(3, TimeUnit.SECONDS) // 3秒未访问则过期
            .maximumSize(10).build(new CacheLoader<String, String>() {
                @Override
                public String load(String key) {
                    // 模拟从数据库加载
                    System.out.println("正在加载: " + key);
                    return "db-value-" + key;
                }
            });

        // 自动触发加载函数
        System.out.println(cache.get("user1001")); // 输出: db-value-user1001
        System.out.println(cache.get("user1001")); // 第二次直接从缓存获取

        // 批量获取
        System.out.println(cache.getAll(List.of("user1002", "user1003")));
    }

    /**
     * 缓存淘汰监听器示例
     */
    public static void cacheRemovalListenerDemo() {
        System.out.println("\n=== 3. 淘汰监听器 ===");

        RemovalListener<String, String> listener = notification -> {
            System.out.printf("淘汰事件: key=%s, value=%s, 原因=%s\n", notification.getKey(), notification.getValue(),
                notification.getCause());
        };

        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder().maximumSize(3) // 测试用的小容量
            .removalListener(listener).build();

        cache.put("k1", "v1");
        cache.put("k2", "v2");
        cache.put("k3", "v3");
        cache.put("k4", "v4"); // 触发淘汰（LRU）

        cache.invalidate("k2"); // 手动触发淘汰
    }

    /**
     * 缓存统计示例
     */
    public static void cacheStatisticsDemo() {
        System.out.println("\n=== 4. 缓存统计 ===");

        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder().maximumSize(100).recordStats() // 开启统计
            .build();

        cache.put("k1", "v1");
        cache.getIfPresent("k1");
        cache.getIfPresent("missingKey");

        CacheStats stats = cache.stats();
        System.out.println("命中率: " + stats.hitRate()); // 输出: 0.5
        System.out.println("命中数: " + stats.hitCount()); // 输出: 1
        System.out.println("未命中数: " + stats.missCount()); // 输出: 1
        System.out.println("加载成功数: " + stats.loadSuccessCount());
    }

    /**
     * 高级淘汰策略示例
     */
    public static void advancedEvictionDemo() {
        System.out.println("\n=== 5. 高级淘汰策略 ===");

        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
            // 基于权重的淘汰（假设不同value占用不同空间）
            .maximumWeight(1000).weigher((String key, String value) -> value.length())
            // 弱引用key和value（适合缓存大对象）
            .weakKeys().weakValues()
            // 定期维护（减少并发开销）
            .concurrencyLevel(8).build();

        cache.put("long", "这是一个很长的字符串值");
        cache.put("short", "小");

        System.out.println("当前大小: " + cache.size());
    }
}

🎉 结论

对于大多数现代 Java 应用，Caffeine 无疑是更优选择，其卓越的性能表现和更低的内存开销使其成为新项目的首选。而 Guava Cache 则更适合已有 Guava 生态的遗留系统，或者需要特定功能（如 CacheLoader 深度集成）的场景。

终极建议： 新项目直接采用 Caffeine，老项目若无性能瓶颈可继续使用 Guava Cache，在遇到性能问题时再考虑迁移。两者 API 相似，迁移成本较低。