Caffeine源码解读-缓存过期淘汰相关算法-caffeine缓存原理

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本文转载自微信公众号「肌肉码农」，作者邹学。转载本文请联系肌肉码农公众号。

引子：

上一篇通过使用示例讲解了Caffeine的框架部分 Caffeine源码解读-架构篇，这一篇继续通过示例讲解缓存过期相关算法部分，来看看它与guava cache有什么不一样的设计。

使用示例：

继续使用相同的例子，不过是从PUT、GET开始说起，了解了它的工作流程自然会知道它的缓存过期逻辑：

//初始化         
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().maximumSize(100) 
  .expireAfterWrite(1, TimeUnit.SECONDS).build(); 
//PUT        
cache.put("a", "b"); 
//GET 
 System.out.println(cache.getIfPresent("a"));

guava是在put时候进行过期淘汰，那Caffeine也会是一样吗?

put/get:

大部分情况创建的是有界cache,put方法会进入BoundedLocalCache的这个方法中：put(K key, V value, boolean notifyWriter, boolean onlyIfAbsent)，当Cache之前不包含该元素时会执行以下的代码：

//从cache中取出之前的值  
Node<K, V> prior = data.get(nodeFactory.newLookupKey(key)); 
if (prior == null) { 
  //prior =null 表示之前元素不存在 
  //因为不存在该元素，所以需要根据key、value创建一个新的node 
  //这里有null的判断是这部分逻辑外层是个循环，用循环的原因是后面的异步操作需要保证成功。 
  if (node == null) { 
    //新建node 
    node = nodeFactory.newNode(key, keyReferenceQueue(), 
        value, valueReferenceQueue(), newWeight, now); 
    //设置Node的初始时间，用于过期策略 
    setVariableTime(node, expireAfterCreate(key, value, now)); 
    setAccessTime(node, now); 
    setWriteTime(node, now); 
  } 
  if (notifyWriter && hasWriter()) { 
   ............................ 
  } else { //如果还未完成该key的写 
      //将新建的node写入到data中 
    prior = data.putIfAbsent(node.getKeyReference(), node); 
    if (prior == null) { 
      //当之前不存在该值时，执行afterWrite操作，并执行AddTask任务 
      afterWrite(new AddTask(node, newWeight)); 
      return null; 
    } 
  } 
}

因为它的保持一致性代码比较多，所以只需先读中文注释部分，从代码可以看出写缓存操作还是比较简单:new一个node然后写到data中去，最后触发afterWrite后返回null.

最后一步afterWrite方法做了什么?

首先看一下AddTask是什么?

final class AddTask implements Runnable { 
    final Node<K, V> node; 
    final int weight; 
 
    AddTask(Node<K, V> node, int weight) { 
      this.weight = weight; 
      this.node = node; 
    } 
................................. 
}

AddTask实现了runnable接口，也就是说完成add操作后，会异步执行一个add任务，这个就是它与guava最大的不同点-异步，我们先把同步部分看完，毕竟它还是put操作返回null前要执行这部分的，afterWrite方法如下：

void afterWrite(Runnable task) { 
if (buffersWrites()) { 
  for (int i = 0; i < WRITE_BUFFER_RETRIES; i++) { 
    if (writeBuffer().offer(task)) { 
      //触发写后调度 
      scheduleAfterWrite(); 
      return; 
    } 
    scheduleDrainBuffers(); 
  } 
  .......... 
} else { 
  scheduleAfterWrite(); 
} 
}

从上面代码来看，该方法触发了写后调度，写后调度最终后异步执行drainBuffersTask，这个任务会整理cache中各node状态并做出处理：

voidscheduleDrainBuffers() { 
  if (drainStatus() >= PROCESSING_TO_IDLE) { 
    return; 
  } 
  if (evictionLock.tryLock()) { 
    try { 
      //获得状态 
      int drainStatus = drainStatus(); 
      //只允许存在三种状态 
      if (drainStatus >= PROCESSING_TO_IDLE) { 
        return; 
      } 
      lazySetDrainStatus(PROCESSING_TO_IDLE); 
      //异步调用内存调整任务 drainBuffersTask 
      executor().execute(drainBuffersTask); 
    } catch (Throwable t) { 
      logger.log(Level.WARNING, "Exception thrown when submitting maintenance task", t); 
      maintenance(/* ignored */ null); 
    } finally { 
      evictionLock.unlock(); 
    } 
  } 
}

从上面步骤来看，put流程是这样的：先将元素写入到cache，然后触发调度，调度会根据闲忙状态判断是否执行异步drainBuffersTask。

get的流程与put之差不多，因为get会改变key的使用情况影响过期结果，所以最终也可能会触发drainBuffersTask执行maintenance方法来清理缓存：

void maintenance(@Nullable Runnable task) { 
  lazySetDrainStatus(PROCESSING_TO_IDLE); 
 
  try { 
    //排出读缓存 
    drainReadBuffer(); 
  //排出写缓存 
    drainWriteBuffer(); 
    if (task != null) { 
      task.run(); 
    } 
   
    //排出key引用 
    drainKeyReferences(); 
    //排出value引用 
    drainValueReferences(); 
    //过期entry 
    expireEntries(); 
    //淘汰entry 
    evictEntries(); 
  } finally { 
    if ((drainStatus() != PROCESSING_TO_IDLE) || !casDrainStatus(PROCESSING_TO_IDLE, IDLE)) { 
      lazySetDrainStatus(REQUIRED); 
    } 
  } 
}

数据结构

上一篇文章有讲到Caffeine使用一个ConcurrencyHashMap来保存所有数据，而这一节主要讲过期淘汰策略所采用的数据结构，其中写过期是使用writeOrderDeque,这个比较简单无需多说，而读过期相对复杂很多，使用W-TinyLFU的结构与算法。

网络上有很多文章介绍W-TinyLFU结构的，大家可以去查一下，这里主要是从源码来分析，总的来说它使用了三个双端队列：accessOrderEdenDeque,accessOrderProbationDeque,accessOrderProtectedDeque,使用双端队列的原因是支持LRU算法比较方便。

accessOrderEdenDeque属于eden区，缓存1%的数据，其余的99%缓存在main区。

accessOrderProbationDeque属于main区，缓存main内数据的20%，这部分是属于冷数据，即将补淘汰。

accessOrderProtectedDeque属于main区，缓存main内数据的20%，这部分是属于热数据，是整个缓存的主存区。

我们先看一下淘汰方法入口：

void evictEntries() { 
  if (!evicts()) { 
    return; 
  } 
  //先从edn区淘汰 
  int candidates = evictFromEden(); 
  //eden淘汰后的数据进入main区，然后再从main区淘汰 
  evictFromMain(candidates); 
}

accessOrderEdenDeque对应W-TinyLFU的W(window)，这里保存的是最新写入数据的引用，它使用LRU淘汰，这里面的数据主要是应对突发流量的问题，淘汰后的数据进入accessOrderProbationDeque.代码如下：

int evictFromEden() { 
  int candidates = 0; 
  Node<K, V> node = accessOrderEdenDeque().peek(); 
  while (edenWeightedSize() > edenMaximum()) { 
    // The pending operations will adjust the size to reflect the correct weight 
    if (node == null) { 
      break; 
    } 
 
    Node<K, V> next = node.getNextInAccessOrder(); 
    if (node.getWeight() != 0) { 
      node.makeMainProbation(); 
      //先从eden区移除 
      accessOrderEdenDeque().remove(node); 
      //移除的数据加入到main区的probation队列 
      accessOrderProbationDeque().add(node); 
      candidates++; 
 
      lazySetEdenWeightedSize(edenWeightedSize() - node.getPolicyWeight()); 
    } 
    node = next; 
  } 
 
  return candidates; 
}

数据进入probation队列后，继续执行以下代码：

void evictFromMain(int candidates) { 
  int victimQueue = PROBATION; 
  Node<K, V> victim = accessOrderProbationDeque().peekFirst(); 
  Node<K, V> candidate = accessOrderProbationDeque().peekLast(); 
  while (weightedSize() > maximum()) { 
    // Stop trying to evict candidates and always prefer the victim 
    if (candidates == 0) { 
      candidate = null; 
    } 
 
    // Try evicting from the protected and eden queues 
    if ((candidate == null) && (victim == null)) { 
      if (victimQueue == PROBATION) { 
        victim = accessOrderProtectedDeque().peekFirst(); 
        victimQueue = PROTECTED; 
        continue; 
      } else if (victimQueue == PROTECTED) { 
        victim = accessOrderEdenDeque().peekFirst(); 
        victimQueue = EDEN; 
        continue; 
      } 
 
      // The pending operations will adjust the size to reflect the correct weight 
      break; 
    } 
 
    // Skip over entries with zero weight 
    if ((victim != null) && (victim.getPolicyWeight() == 0)) { 
      victim = victim.getNextInAccessOrder(); 
      continue; 
    } else if ((candidate != null) && (candidate.getPolicyWeight() == 0)) { 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
      candidates--; 
      continue; 
    } 
 
    // Evict immediately if only one of the entries is present 
    if (victim == null) { 
      candidates--; 
      Node<K, V> evict = candidate; 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.SIZE, 0L); 
      continue; 
    } else if (candidate == null) { 
      Node<K, V> evict = victim; 
      victim = victim.getNextInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.SIZE, 0L); 
      continue; 
    } 
 
    // Evict immediately if an entry was collected 
    K victimKey = victim.getKey(); 
    K candidateKey = candidate.getKey(); 
    if (victimKey == null) { 
      Node<K, V> evict = victim; 
      victim = victim.getNextInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.COLLECTED, 0L); 
      continue; 
    } else if (candidateKey == null) { 
      candidates--; 
      Node<K, V> evict = candidate; 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.COLLECTED, 0L); 
      continue; 
    } 
 
    // Evict immediately if the candidate's weight exceeds the maximum 
    if (candidate.getPolicyWeight() > maximum()) { 
      candidates--; 
      Node<K, V> evict = candidate; 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.SIZE, 0L); 
      continue; 
    } 
 
    // Evict the entry with the lowest frequency 
    candidates--; 
    //最核心算法在这里：从probation的头尾取出两个node进行比较频率，频率更小者将被remove 
    if (admit(candidateKey, victimKey)) { 
      Node<K, V> evict = victim; 
      victim = victim.getNextInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.SIZE, 0L); 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
    } else { 
      Node<K, V> evict = candidate; 
      candidate = candidate.getPreviousInAccessOrder(); 
      evictEntry(evict, RemovalCause.SIZE, 0L); 
    } 
  } 
}

上面的代码逻辑是从probation的头尾取出两个node进行比较频率，频率更小者将被remove，其中尾部元素就是上一部分从eden中淘汰出来的元素，如果将两步逻辑合并起来讲是这样的：在eden队列通过lru淘汰出来的”候选者“与probation队列通过lru淘汰出来的“被驱逐者“进行频率比较，失败者将被从cache中真正移除。下面看一下它的比较逻辑admit：

boolean admit(K candidateKey, K victimKey) { 
  int victimFreq = frequencySketch().frequency(victimKey); 
  int candidateFreq = frequencySketch().frequency(candidateKey); 
  //如果候选者的频率高就淘汰被驱逐者 
  if (candidateFreq > victimFreq) { 
    return true; 
    //如果被驱逐者比候选者的频率高，并且候选者频率小于等于5则淘汰者 
  } else if (candidateFreq <= 5) { 
    // The maximum frequency is 15 and halved to 7 after a reset to age the history. An attack 
    // exploits that a hot candidate is rejected in favor of a hot victim. The threshold of a warm 
    // candidate reduces the number of random acceptances to minimize the impact on the hit rate. 
    return false; 
  } 
  //随机淘汰 
  int random = ThreadLocalRandom.current().nextInt(); 
  return ((random & 127) == 0); 
}

从frequencySketch取出候选者与被驱逐者的频率，如果候选者的频率高就淘汰被驱逐者，如果被驱逐者比候选者的频率高，并且候选者频率小于等于5则淘汰者，如果前面两个条件都不满足则随机淘汰。

整个过程中你是不是发现protectedDeque并没有什么作用，那它是怎么作为主存区来保存大部分数据的呢?

//onAccess方法触发该方法  
void reorderProbation(Node<K, V> node) { 
  if (!accessOrderProbationDeque().contains(node)) { 
    // Ignore stale accesses for an entry that is no longer present 
    return; 
  } else if (node.getPolicyWeight() > mainProtectedMaximum()) { 
    return; 
  } 
 
  long mainProtectedWeightedSize = mainProtectedWeightedSize() + node.getPolicyWeight(); 
 //先从probation中移除 
 accessOrderProbationDeque().remove(node); 
//加入到protected中 
  accessOrderProtectedDeque().add(node); 
  node.makeMainProtected(); 
 
  long mainProtectedMaximum = mainProtectedMaximum(); 
//从protected中移除 
  while (mainProtectedWeightedSize > mainProtectedMaximum) { 
    Node<K, V> demoted = accessOrderProtectedDeque().pollFirst(); 
    if (demoted == null) { 
      break; 
    } 
    demoted.makeMainProbation(); 
    //加入到probation中 
    accessOrderProbationDeque().add(demoted); 
    mainProtectedWeightedSize -= node.getPolicyWeight(); 
  } 
 
  lazySetMainProtectedWeightedSize(mainProtectedWeightedSize); 
}

当数据被访问时并且该数据在probation中，这个数据就会移动到protected中去，同时通过lru从protected中淘汰一个数据进入到probation中。

这样数据流转的逻辑全部通了：新数据都会进入到eden中，通过lru淘汰到probation,并与probation中通过lru淘汰的数据进行使用频率pk,如果胜利了就继续留在probation中，如果失败了就会被直接淘汰，当这条数据被访问了，则移动到protected。当其它数据被访问了，则它可能会从protected中通过lru淘汰到probation中。

TinyLFU

传统LFU一般使用key-value形式来记录每个key的频率，优点是数据结构非常简单，并且能跟缓存本身的数据结构复用，增加一个属性记录频率就行了，它的缺点也比较明显就是频率这个属性会占用很大的空间，但如果改用压缩方式存储频率呢? 频率占用空间肯定可以减少，但会引出另外一个问题：怎么从压缩后的数据里获得对应key的频率呢?

TinyLFU的解决方案是类似位图的方法，将key取hash值获得它的位下标，然后用这个下标来找频率，但位图只有0、1两个值，那频率明显可能会非常大，这要怎么处理呢? 另外使用位图需要预占非常大的空间，这个问题怎么解决呢?

TinyLFU根据最大数据量设置生成一个long数组，然后将频率值保存在其中的四个long的4个bit位中(4个bit位不会大于15)，取频率值时则取四个中的最小一个。

Caffeine认为频率大于15已经很高了，是属于热数据，所以它只需要4个bit位来保存，long有8个字节64位，这样可以保存16个频率。取hash值的后左移两位，然后加上hash四次，这样可以利用到16个中的13个，利用率挺高的，或许有更好的算法能将16个都利用到。

public void increment(@Nonnull E e) { 
    if (isNotInitialized()) { 
      return; 
    } 
 
    int hash = spread(e.hashCode()); 
    int start = (hash & 3) << 2; 
 
    // Loop unrolling improves throughput by 5m ops/s 
    int index0 = indexOf(hash, 0); //indexOf也是一种hash方法，不过会通过tableMask来限制范围 
    int index1 = indexOf(hash, 1); 
    int index2 = indexOf(hash, 2); 
    int index3 = indexOf(hash, 3); 
 
    boolean added = incrementAt(index0, start); 
    added |= incrementAt(index1, start + 1); 
    added |= incrementAt(index2, start + 2); 
    added |= incrementAt(index3, start + 3); 
 
    //当数据写入次数达到数据长度时就重置 
    if (added && (++size == sampleSize)) { 
      reset(); 
    } 
  }

给对应位置的bit位四位的Int值加1：

boolean incrementAt(int i, int j) { 
  int offset = j << 2; 
  long mask = (0xfL << offset); 
  //当已达到15时，次数不再增加 
  if ((table[i] & mask) != mask) { 
    table[i] += (1L << offset); 
    return true; 
  } 
  return false; 
}

获得值的方法也是通过四次hash来获得，然后取最小值：

public int frequency(@Nonnull E e) { 
  if (isNotInitialized()) { 
    return 0; 
  } 
 
  int hash = spread(e.hashCode()); 
  int start = (hash & 3) << 2; 
  int frequency = Integer.MAX_VALUE; 
  //四次hash 
  for (int i = 0; i < 4; i++) { 
    int index = indexOf(hash, i); 
    //获得bit位四位的Int值 
    int count = (int) ((table[index] >>> ((start + i) << 2)) & 0xfL); 
    //取最小值 
    frequency = Math.min(frequency, count); 
  } 
  return frequency; 
}

当数据写入次数达到数据长度时就会将次数减半，一些冷数据在这个过程中将归0，这样会使hash冲突降低：

void reset() { 
  int count = 0; 
  for (int i = 0; i < table.length; i++) { 
    count += Long.bitCount(table[i] & ONE_MASK); 
    table[i] = (table[i] >>> 1) & RESET_MASK; 
  } 
  size = (size >>> 1) - (count >>> 2); 
}