.NET中的缓存实现

软件开发中最常用的模式之一是缓存，这是一个简单但非常有效的概念，想法是重用操作结果，执行繁重的操作时，我们会将结果保存在缓存容器中，下次我们需要该结果时，我们将从缓存容器中取出它，而不是再次执行繁重的操作。

例如，要获得某人的头像，您可能需要前往数据库。我们不会每次都执行那次查询，而是将结果保存在缓存中，每次需要时都将其从内存中删除。

缓存非常适合不经常更改的数据，甚至永远不会改变。不断变化的数据不适合缓存，如当前机器的时间不应缓存，否则您将得到错误的结果。

进程内缓存，持久化缓存和分布式缓存

• 进程内缓存用于在单个进程中实现缓存时，当进程终止时，缓存会随之消失。如果您在多个服务器上运行相同的进程，则每个服务器都有一个单独的缓存。
• 持久化缓存是指在进程内存之外备份缓存，它可能位于文件中，也可能位于数据库中。这实现比较困难，但如果重新启动进程，缓存不会丢失。
  
• 分布式缓存是指您为多台计算机提供共享缓存，通常它将是几个服务器，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缓存项，其他服务器也可以使用它。像Redis这样的服务非常适合这种情况。

单线程的缓存

public class NaiveCache<T>
{
    private static Dictionary<object, T> _cache = new Dictionary<object, T>();
    public static T GetOrCreate(object key, Func<T> createItem)
    {
        T cacheEntry;
        if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry))
        {
            cacheEntry = createItem();
            _cache.Add(key, cacheEntry);
        }

        return cacheEntry;
    }
}

//用法
NaiveCache<string>.GetOrCreate("test", () => { return "test123"; });

这个简单的代码解决了一个关键问题，要获取test的值，只有第一个请求才会实际执行数据库操作，然后将数据保存在进程存储器中，以后有关test的请求都将从内存中提取，从而节省时间和资源。

但是，作为编程中的大多数事情，没有什么是如此简单。由于许多原因，上述解决方案并不好。首先，这种实现不是线程安全的，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。

例如：

List<Task> t1 = new List<Task>();

foreach (var item in list)
{
    var a = Task.Run(() =>
    {
        Console.Write($"{NaiveCache<string>.GetOrCreate(item, () => { return item.ToString(); })}");
    });
    t1.Add(a);
}

try
{
    Task.WaitAll(t1.ToArray());
}
catch { }

运行结果7234859，运行 的数据丢失了

这就是为什么我们应该从Cache中删除项目：

1. 缓存可能占用大量内存，最终导致内存不足异常和崩溃。
2. 高内存消耗可导致GC压力（又称内存压力）。在这种状态下，垃圾收集器的工作量超出预期，会影响性能。
3. 如果数据发生更改，可能需要刷新缓存，我们的缓存基础架构应该支持这种能力。

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

• 绝对过期策略将在一段固定的时间后从缓存中删除一个项目。
• 如果未在固定的时间内访问项目，则滑动过期策略将从缓存中删除项目。因此，如果我将到期时间设置为1分钟，只要我每隔30秒使用一次，该项目就会保持在缓存中，一旦我不使用它超过一分钟，该项目被驱逐。
• 大小限制策略将限制高速缓存大小。

现在我们知道了我们需要什么，让我们继续寻找更好的解决方案。

改善方案

令我非常沮丧的是，作为博主，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较少。

我将向您展示Microsoft的解决方案，如何有效地使用它，以及如何在某些情况下改进它。

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

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

这是一个基本的例子Microsoft.Extensions.Caching.Memory：

/// <summary>
/// 利用微软的库写的缓存
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
public class SimpleMemoyCache<T>
{
    private static MemoryCache _cache = new MemoryCache(new MemoryCacheOptions());

    public static T GetOrCreate(object key, Func<T> createItem) {
        T cacheEntry;
        if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry)) {
            cacheEntry = createItem();
            _cache.Set(key, cacheEntry);
        }

        return cacheEntry;
    }
}

用法：

SimpleMemoyCache<string>.GetOrCreate("test", () => { return "test123"; });

这与我自己非常相似NaiveCache，所以改变了什么？嗯，首先，这是一个线程安全的实现。您可以安全地从多个线程一次调用它。

带有逐出政策的IMemoryCache：

/// <summary>
/// 带有策略的缓存
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
public class MemoryCacheWithPolicy<T>
{
    /// <summary>
    /// 增加设置缓存大小
    /// </summary>
    private static MemoryCache _cache = new MemoryCache(new MemoryCacheOptions() { SizeLimit = 1024 });

    public static T GetOrCreate(object key, Func<T> createItem) {
        T cacheEntry;
        if (!_cache.TryGetValue(key, out cacheEntry)) {
            cacheEntry = createItem();
            var cacheEntryOptions = new MemoryCacheEntryOptions()
                .SetSize(1)
                .SetPriority(CacheItemPriority.High) //设置优先级
                .SetSlidingExpiration(TimeSpan.FromSeconds(2)) //2s没有访问删除
                .SetAbsoluteExpiration(TimeSpan.FromSeconds(10)); //10s过期

            _cache.Set(key, cacheEntry, cacheEntryOptions);
        }

        return cacheEntry;
    }
}

让我们分析一下新增内容：

1. SizeLimit加入了MemoryCacheOptions,这会将基于大小的策略添加到缓存容器中。相反，我们需要在每个缓存条目上设置大小，在这种情况下，我们每次设置为1 SetSize(1)，这意味着缓存限制为1024个项目。
2. 当我们达到大小限制时，应该删除哪个缓存项？您实际上可以设置优先级.SetPriority(CacheItemPriority.High)。级别为Low，Normal，High和NeverRemove。
3. SetSlidingExpiration(TimeSpan.FromSeconds(2))添加了，将滑动到期时间设置为2秒，这意味着如果超过2秒内未访问某个项目，它将被删除。
4. SetAbsoluteExpiration(TimeSpan.FromSeconds(10))添加了，它将绝对到期时间设置为10秒，这意味着如果物品尚未在10秒内被驱逐。

除了示例中的选项之外，您还可以设置一个RegisterPostEvictionCallback委托，当项目被驱逐时将调用该委托。

这是一个非常全面的功能集。它让你想知道是否还有其他东西要添加，实际上有几件事。

问题和缺失的功能

这个实现中有几个重要的缺失部分。

1. 虽然您可以设置大小限制，但缓存实际上并不监视gc压力。如果我们确实对其进行监控，我们可以在压力较大时收紧政策，并在压力较低时放松政策。
2. 当同时请求具有多个线程的相同项时，请求不等待第一个完成，该项目将被多次创建。例如，假设我们正在缓存阿凡达，从数据库中获取头像需要10秒钟，如果我们在第一次请求后2秒请求头像，它将检查头像是否被缓存（它还没有），并开始另一次访问数据库。

英文原文中有说明，但是觉得不太好，再次没有翻译。

英文原文地址：

https://michaelscodingspot.com/cache-implementations-in-csharp-net/?utm_source=csharpdigest&utm_medium=web&utm_campaign=featured

代码与所写有所修改，但是大致意思一样，如果感兴趣，可以看看英文。