Jupyter（Python）中无法使用Cache原理分析

前言

最近需要在Jupyter中写一个类库，其中有一个文件实现从数据库中读取空间数据并加载为Feature对象，Feature对象是cartopy封装的geometry列表，能够方便的用于作图等。因为有很多数据是经常用到的，所以就写了很多常量将数据事先读好供用户直接调用，这样造成的一个问题是每次加载该页面的时候很慢，于是我就考虑可以写个Cache来缓存这些数据，这在其他情况下是再正常不过的需求，然而我却在这里折腾半天，踏了坑，坑里还有水，再也没有出来。。。在这里我简单分析一下失败的原因，如果有人有能解决的方案或者我有什么说的不对的地方，欢迎批评指导！

折腾过程

首先我考虑这个应该是写个Cache类，其中加入一个字典，于是找到了这样一块代码，初步看了一下代码没有问题，于是Copy上：

#coding=utf-8
from time import time
class Cache:
    '''简单的缓存系统'''
    def __init__(self):
        '''初始化'''
        self.mem = {}
        self.time = {}

    def set(self, key, data, age=-1):
        '''保存键为key的值，时间位age'''
        self.mem[key] = data
        if age == -1:
            self.time[key] = -1
        else:
            self.time[key] = time() + age
        return True

    def get(self,key):
        '''获取键key对应的值'''
        if key in self.mem.keys():
            if self.time[key] == -1 or self.time[key] > time():
                return self.mem[key]
            else:
                self.delete(key)
                return None
        else:
            return None

    def delete(self,key):
        '''删除键为key的条目'''
        del self.mem[key]
        del self.time[key]
        return True

    def clear(self):
        '''清空所有缓存'''
        self.mem.clear()
        self.time.clear()

很清晰的一段代码，并且加入了缓存时间，应当能满足我的要求的，在此页面定义了一个变量，创建一个FEATURE_CACHE对象如下：

FEATURE_CACHE = Cache()

这样我在需要缓存的页面只要先判断是否在缓存内，是则直接读取，否则使用原来的逻辑读取数据库并存入缓存即可，改造如下：

if FEATURE_CACHE.get(ds_id) != None:
    return FEATURE_CACHE.get(ds_id)
else:
    ...
    geo_feature = ...
    FEATURE_CACHE.set(ds_id, geo_feature)
    return geo_feature

逻辑上清晰易懂，然后尝试调用。新建一个jupyter页面，多次调用，很好，只有第一次比较慢，再次调用就非常快，本以为这就解决了问题，我也是灵光一闪，既然我是全局缓存那就再开一个页面试试吧，于是又新建了一个jupyter页面，大跌眼镜的事情出现了，居然也是第一次调用非常慢，这是什么逻辑，为什么这里面没有缓存。然后经历了无数次加输出信息调试、重启kernel调试、staticmethod方法、单例等均达不到效果，单例的代码如下：

class Cache:
    __instance = None  
    
    __lock = threading.Lock()   # used to synchronize code  
    
    mem = {}
    time = {}
 
    def __init__(self):  
        "disable the __init__ method"  
        
    '''简单的缓存系统'''

    def set(self, key, data, age=-1):
        '''保存键为key的值，时间位age'''
        self.mem[key] = data
        if age == -1:
            self.time[key] = -1
        else:
            self.time[key] = time() + age
        return True

    def get(self,key):
        '''获取键key对应的值'''
        if key in self.mem.keys():
            if self.time[key] == -1 or self.time[key] > time():
                return self.mem[key]
            else:
                self.delete(key)
                return None
        else:
            return None

    def delete(self,key):
        '''删除键为key的条目'''
        del self.mem[key]
        del self.time[key]
        return True

    def clear(self):
        '''清空所有缓存'''
        self.mem.clear()
        self.time.clear()
        
    @staticmethod  
    def getInstance():  
        if not Cache.__instance:  
            Cache.__lock.acquire()  
            if not Cache.__instance:  
                Cache.__instance = object.__new__(Cache)  
                object.__init__(Cache.__instance)  
            Cache.__lock.release()  
        return Cache.__instance

这样就是不再创建Cache的实例，而是直接调用Cache.getInstance()。可想而知这样也是不行的。于是折腾一番后我得出这么一个结果。

结果与原理

当我们在一个jupyter页面中调用某个python库的时候，只要在这个jupyter页面中不重新启动内核，则已经加载过的模块会自动缓存（是python的缓存，并非我写的缓存），重启内核相当于打开一个新的jupyter页面，并且在重新打开一个jupyter页面时，即使其他jupyter页面已经加载过了相应的调用，也不会缓存，会再次去执行程序，这样我写的Cache类就没有用了。所以结论就是在jupyter中我的Cahce缓存类加不加效果是一样的。那么原理是什么呢？

其实很简单，只是我刚开始对python的运行机理和生命周期等不太熟悉，才走了这个弯路，折腾一番大概明白了。首先普通的python程序使用python xx.py启动的时候这样写Cahce肯定是可行的，能够实现全局缓存，因为这是在一个application内部，加载过的python文件会编译成pyc，再次加载的时候会直接调用此pyc而不会重新执行，并且整体是共享内存的。而在jupyter中每一个jupyter页面都相当于启动了一个application，所以他们相互之间是隔离的，即无法共享pyc文件，也无法共享内存，于是重新打开一个jupyter页面就是一个新的Cache，这样写不写Cache得到的结果是一致的。

总结

当然可以考虑采用文件缓存的方式，即首次读取的时候将数据库内容加载到本地文件，再次调用的时候读取文件，然而并没有尝试这样会快多少，并且本身访问量就不大，数据库是完全能抗住的，于是不知道这样的缓存有多少意义。当然也可以使用redis、memcache等缓存件，但是这样就整大发了，没必要使用jupyter了吧。以上是我对此问题的个人见解，欢迎大家提出宝贵意见，不甚感激！