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MyBatis实战(二)-一级缓存原理解析

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Java 面试中间件

1 概论

每当我们使用MyBatis开启一次和数据库的会话，MyBatis会创建出一个SqlSession对象表示一次数据库会话

在对数据库的一次会话中，我们有可能会反复地执行完全相同的查询语句，如果不采取一些措施的话，每一次查询都会查询一次数据库,而我们在极短的时间内做了完全相同的查询，那么它们的结果极有可能完全相同，由于查询一次数据库的代价很大，这有可能造成很大的性能损失

为了解决这一问题，减少资源的浪费，MyBatis会在表示会话的SqlSession对象中建立一个简单的缓存，将每次查询到的结果结果缓存起来，当下次查询的时候，如果判断先前有个完全一样的查询，会直接从缓存中直接将结果取出，返回给用户

如下所示，MyBatis会在一次会话的表示一个SqlSession对象中创建一个本地缓存，对于每一次查询，都会尝试根据查询的条件去本地缓存中查找是否在缓存中，如果命中，就直接从缓存中取出，然后返回给用户；否则，从数据库读取数据，将查询结果存入缓存并返回给用户

对于会话（Session）级别的数据缓存，我们称之为一级数据缓存，简称一级缓存

2 一级缓存是怎样组织的

由于MyBatis使用SqlSession对象表示一次数据库的会话，那么，对于会话级别的一级缓存也应该是在SqlSession中控制的。

实际上, MyBatis只是一个MyBatis对外的接口，SqlSession将它的工作交给了Executor执行器这个角色来完成，负责完成对数据库的各种操作
当创建了一个SqlSession对象时，MyBatis会为这个SqlSession对象创建一个新的Executor执行器，而缓存信息就被维护在这个Executor执行器中，MyBatis将缓存和对缓存相关的操作封装成了Cache接口中
SqlSession、Executor、Cache之间的关系如下列类图所示：

如上述的类图所示，Executor接口的实现类BaseExecutor中拥有一个Cache接口的实现类PerpetualCache，则对于BaseExecutor对象而言，它将使用PerpetualCache对象维护缓存

综上，SqlSession对象、Executor对象、Cache对象之间的关系如下图所示：

由于Session级别的一级缓存实际上就是使用PerpetualCache维护的，那么PerpetualCache是怎样实现的呢？

PerpetualCache实现原理其实很简单，其内部就是通过一个简单的**HashMap<k,v>**来实现的，没有其他的任何限制

/**
 *    Copyright 2009-2015 the original author or authors.
 *
 *    Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 *    you may not use this file except in compliance with the License.
 *    You may obtain a copy of the License at
 *
 *       http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 *    Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 *    distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 *    WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 *    See the License for the specific language governing permissions and
 *    limitations under the License.
 */
package org.apache.ibatis.cache.impl;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;

import org.apache.ibatis.cache.Cache;
import org.apache.ibatis.cache.CacheException;

/**
 * @author Clinton Begin
 */
public class PerpetualCache implements Cache {

  private String id;

  private Map<Object, Object> cache = new HashMap<Object, Object>();

  public PerpetualCache(String id) {
    this.id = id;
  }

  @Override
  public String getId() {
    return id;
  }

  @Override
  public int getSize() {
    return cache.size();
  }

  @Override
  public void putObject(Object key, Object value) {
    cache.put(key, value);
  }

  @Override
  public Object getObject(Object key) {
    return cache.get(key);
  }

  @Override
  public Object removeObject(Object key) {
    return cache.remove(key);
  }

  @Override
  public void clear() {
    cache.clear();
  }

  @Override
  public ReadWriteLock getReadWriteLock() {
    return null;
  }

  @Override
  public boolean equals(Object o) {
    if (getId() == null) {
      throw new CacheException("Cache instances require an ID.");
    }
    if (this == o) {
      return true;
    }
    if (!(o instanceof Cache)) {
      return false;
    }

    Cache otherCache = (Cache) o;
    return getId().equals(otherCache.getId());
  }

  @Override
  public int hashCode() {
    if (getId() == null) {
      throw new CacheException("Cache instances require an ID.");
    }
    return getId().hashCode();
  }

}

3 一级缓存的生命周期

MyBatis在开启一个数据库会话时，会创建一个新的SqlSession对象，SqlSession对象中会有一个新的Executor对象，Executor对象中持有一个新的PerpetualCache对象
当会话结束时，SqlSession对象及其内部的Executor对象还有PerpetualCache对象也一并释放掉

如果SqlSession调用了close()方法，会释放掉一级缓存PerpetualCache对象，一级缓存将不可用

如果SqlSession调用了clearCache()，会清空PerpetualCache**对象中的数据，但是该对象仍可使用；

SqlSession中执行了任何一个update操作(update()、delete()、insert()) ，都会清空PerpetualCache对象的数据，但是该对象可以继续使用；

4 一级缓存的工作流程

1.对于某个查询，根据statementId,params,rowBounds来构建一个key值，根据这个key值去缓存Cache中取出对应的key值存储的缓存结果

2 判断从Cache中根据特定的key值取的数据数据是否为空，即是否命中；

3 如果命中，则直接将缓存结果返回；

4 如果没命中
4.1 去数据库中查询数据，得到查询结果；
4.2 将key和查询到的结果分别作为key,value对存储到Cache中；
4.3. 将查询结果返回；

5 结束

5 Cache接口的设计

MyBatis定义了一个org.apache.ibatis.cache.Cache接口作为其Cache提供者的SPI(Service Provider Interface)，所有的MyBatis内部的Cache缓存，都应该实现这一接口
MyBatis定义了一个PerpetualCache实现类实现了Cache接口，实际上，在SqlSession对象里的Executor对象内维护的Cache类型实例对象，就是PerpetualCache子类创建的

Cache最核心的实现其实就是一个Map，将本次查询使用的特征值作为key，将查询结果作为value存储到Map中

现在最核心的问题出现了：怎样来确定一次查询的特征值？

换句话说就是：怎样判断某两次查询是完全相同的查询？

也可以这样说：如何确定Cache中的key值？

MyBatis认为，对于两次查询，如果以下条件都完全一样，那么就认为它们是完全相同的查询

传入的 statementId
查询时要求的结果集中的结果范围（结果的范围通过rowBounds.offset和rowBounds.limit表示）
这次查询所产生的最终要传递给JDBC java.sql.Preparedstatement的Sql语句字符串（boundSql.getSql()）
传递给java.sql.Statement要设置的参数值

现在分别解释上述四个条件

传入的statementId***，对于MyBatis而言，你要使用它，必须需要一个statementId***，它代表着你将执行什么样的Sql**
MyBatis自身提供的分页功能是通过RowBounds来实现的，它通过***rowBounds.offset***和***rowBounds.limit***来过滤查询出来的结果集，这种分页功能是基于查询结果的再过滤，而不是进行数据库的物理分页
由于MyBatis底层还是依赖于JDBC实现的，那么，对于两次完全一模一样的查询，MyBatis要保证对于底层JDBC而言，也是完全一致的查询才行。而对于JDBC而言，两次查询，只要传入给JDBC的SQL语句完全一致，传入的参数也完全一致，就认为是两次查询是完全一致的

上述的第3个条件正是要求保证传递给JDBC的SQL语句完全一致
第4条则是保证传递给JDBC的参数也完全一致

举一个例子

  <select id="selectByCritiera" parameterType="java.util.Map" resultMap="BaseResultMap">
        select employee_id,first_name,last_name,email,salary
        from louis.employees
        where  employee_id = #{employeeId}
        and first_name= #{firstName}
        and last_name = #{lastName}
        and email = #{email}
  </select>

如果使用上述的"selectByCritiera"进行查询，那么，MyBatis会将上述的SQL中的**#{}**都替换成 **? **如下：

        select employee_id,first_name,last_name,email,salary
        from louis.employees
        where  employee_id = ?
        and first_name= ?
        and last_name = ?
        and email = ?

MyBatis最终会使用上述的SQL字符串创建JDBC的java.sql.PreparedStatement对象，对于这个PreparedStatement对象，还需要对它设置参数，调用setXXX()来完成设值
第4条的条件，就是要求对设置JDBC的PreparedStatement的参数值也要完全一致

即3、4两条MyBatis最本质的要求
调用JDBC的时候，传入的SQL语句要完全相同，传递给JDBC的参数值也要完全相同

综上所述,CacheKey由以下条件决定：
statementId + rowBounds + 传递给JDBC的SQL + 传递给JDBC的参数值

6 CacheKey的创建

对于每次的查询请求，Executor都会根据传递的参数信息以及动态生成的SQL语句，将上面的条件根据一定的计算规则，创建一个对应的CacheKey对象

创建CacheKey的目的，就两个：

根据CacheKey作为key,去Cache 缓存中查找缓存结果；
如果查找缓存命中失败，则通过此CacheKey作为key，将从数据库查询到的结果作为value，组成key,value对存储到Cache缓存中

CacheKey的构建被放置到了Executor接口的实现类BaseExecutor中，定义如下：
功能 : 根据传入信息构建CacheKey

  @Override
  public CacheKey createCacheKey(MappedStatement ms, Object parameterObject, RowBounds rowBounds, BoundSql boundSql) {
    if (closed) {
      throw new ExecutorException("Executor was closed.");
    }
    CacheKey cacheKey = new CacheKey();
    //1.statementId
    cacheKey.update(ms.getId());
    //2. rowBounds.offset
    cacheKey.update(rowBounds.getOffset());
    //3. rowBounds.limit
    cacheKey.update(rowBounds.getLimit());
    //4. SQL语句
    cacheKey.update(boundSql.getSql());
    //5. 将每一个要传递给JDBC的参数值也更新到CacheKey中
    List<ParameterMapping> parameterMappings = boundSql.getParameterMappings();
    TypeHandlerRegistry typeHandlerRegistry = ms.getConfiguration().getTypeHandlerRegistry();
    // mimic DefaultParameterHandler logic
    for (ParameterMapping parameterMapping : parameterMappings) {
      if (parameterMapping.getMode() != ParameterMode.OUT) {
        Object value;
        String propertyName = parameterMapping.getProperty();
        if (boundSql.hasAdditionalParameter(propertyName)) {
          value = boundSql.getAdditionalParameter(propertyName);
        } else if (parameterObject == null) {
          value = null;
        } else if (typeHandlerRegistry.hasTypeHandler(parameterObject.getClass())) {
          value = parameterObject;
        } else {
          MetaObject metaObject = configuration.newMetaObject(parameterObject);
          value = metaObject.getValue(propertyName);
        }
        //将每一个要传递给JDBC的参数值也更新到CacheKey中
        cacheKey.update(value);
      }
    }
    if (configuration.getEnvironment() != null) {
      // issue #176
      cacheKey.update(configuration.getEnvironment().getId());
    }
    return cacheKey;
  }

CacheKey的hashcode生成算法

刚才已经提到，Cache接口的实现，本质上是使用的HashMap<k,v>,而构建CacheKey的目的就是为了作为HashMap<k,v>中的key值
而HashMap是通过key值的hashcode 来组织和存储的，那么，构建CacheKey的过程实际上就是构造其hashCode的过程。下面的代码就是CacheKey的核心hashcode生成算法

  public void update(Object object) {
    if (object != null && object.getClass().isArray()) {
      int length = Array.getLength(object);
      for (int i = 0; i < length; i++) {
        Object element = Array.get(object, i);
        doUpdate(element);
      }
    } else {
      doUpdate(object);
    }
  }

  private void doUpdate(Object object) {
    //1. 得到对象的hashcode;  
    int baseHashCode = object == null ? 1 : object.hashCode();
    //对象计数递增
    count++;
    checksum += baseHashCode;
    //2. 对象的hashcode 扩大count倍
    baseHashCode *= count;
    //3. hashCode * 拓展因子（默认37）+拓展扩大后的对象hashCode值
    hashcode = multiplier * hashcode + baseHashCode;

    updateList.add(object);
  }

性能分析

1.MyBatis对会话（Session）级别的一级缓存设计的比较简单，就简单地使用了HashMap来维护，并没有对HashMap的容量和大小进行限制

有可能就觉得不妥了：如果我一直使用某一个SqlSession对象查询数据，这样会不会导致HashMap太大，而导致 java.lang.OutOfMemoryError错误啊？这么考虑也不无道理，不过MyBatis的确是这样设计的。

MyBatis这样设计也有它自己的理由

一般而言SqlSession的生存时间很短
一般情况下使用一个SqlSession对象执行的操作不会太多，执行完就会消亡
对于某一个SqlSession对象而言，只要执行update操作（update、insert、delete），都会将这个SqlSession对象中对应的一级缓存清空掉
所以一般情况下不会出现缓存过大，影响JVM内存空间的问题
可以手动地释放掉SqlSession对象中的缓存

2. 一级缓存是一个粗粒度的缓存，没有更新缓存和缓存过期的概念

MyBatis的一级缓存就是使用了简单的HashMap，MyBatis只负责将查询数据库的结果存储到缓存中去，不会去判断缓存存放的时间是否过长、是否过期，因此也就没有对缓存的结果进行更新这一说了,根据一级缓存的特性，在使用的过程中，我认为应该注意

对于数据变化频率很大，并且需要高时效准确性的数据要求，我们使用SqlSession查询的时候，要控制好SqlSession的生存时间，SqlSession的生存时间越长，它其中缓存的数据有可能就越旧，从而造成和真实数据库的误差；同时对于这种情况，用户也可以手动地适时清空SqlSession中的缓存；
对于只执行、并且频繁执行大范围的select操作的SqlSession对象，SqlSession对象的生存时间不应过长。

举例：
下面的例子使用了同一个SqlSession指令了两次完全一样的查询，将两次查询所耗的时间打印出来，结果如下

package com.louis.mybatis.test; 
import java.io.InputStream;
import java.util.Date;import java.util.HashMap;import java.util.List;
import java.util.Map; 
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
import org.apache.ibatis.executor.BaseExecutor;
import org.apache.ibatis.io.Resources;
import org.apache.ibatis.session.SqlSession;import org.apache.ibatis.session.SqlSessionFactory;import org.apache.ibatis.session.SqlSessionFactoryBuilder;
import org.apache.log4j.Logger;
public class SelectDemo1 { 	
    private static final Logger loger = Logger.getLogger(SelectDemo1.class);		
    public static void main(String[] args) throws Exception {		
      InputStream inputStream = Resources.getResourceAsStream("mybatisConfig.xml");		
      SqlSessionFactoryBuilder builder = new SqlSessionFactoryBuilder();		
      SqlSessionFactory factory = builder.build(inputStream);				
      SqlSession sqlSession = factory.openSession();		
      //3.使用SqlSession查询		
      Map<String,Object> params = new HashMap<String,Object>();		      
      params.put("min_salary",10000);		
      //a.查询工资低于10000的员工		
      Date first = new Date();		
      //第一次查询		
      List<Employee> result = sqlSession.selectList("com.louis.mybatis.dao.EmployeesMapper.selectByMinSalary",params);		
      loger.info("first quest costs:"+ (new Date().getTime()-first.getTime()) +" ms");		
      Date second = new Date();		
      result =  sqlSession.selectList("com.louis.mybatis.dao.EmployeesMapper.selectByMinSalary",params);		
      loger.info("second quest costs:"+ (new Date().getTime()-second.getTime()) +" ms");	
}

由上面的结果你可以看到，第一次查询耗时464ms，而第二次查询耗时不足1ms,这是因为第一次查询后，MyBatis会将查询结果存储到SqlSession对象的缓存中，当后来有完全相同的查询时，直接从缓存中将结果取出。

对上面的例子做一下修改：在第二次调用查询前，对参数 HashMap类型的params多增加一些无关的值进去，然后再执行，看查询结果

从结果上看，虽然第二次查询时传递的params参数不一致，但还是从一级缓存中取出了第一次查询的缓存。
MyBatis认为的完全相同的查询，不是指使用sqlSession查询时传递给算起来Session的所有参数值完完全全相同，你只要保证statementId，rowBounds,最后生成的SQL语句，以及这个SQL语句所需要的参数完全一致就可以了。