Mybatis之一级缓存实现详解

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-04-23 07:56 224阅读 0赞

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### 一. 前言 ###

MyBatis是一个简单，小巧但功能非常强大的ORM开源框架，它的功能强大也体现在它的缓存机制上。MyBatis提供了一级缓存、二级缓存 这两个缓存机制，能够很好地处理和维护缓存，以提高系统的性能。本文的目的则是向读者详细介绍MyBatis的一级缓存，深入源码，解析MyBatis一级缓存的实现原理，并且针对一级缓存的特点提出了在实际使用过程中应该注意的事项。

**读完本文，你将会学到：**  
1、什么是一级缓存？为什么使用一级缓存？  
2、MyBatis的一级缓存是怎样组织的？（即SqlSession对象中的缓存是怎样组织的？）  
3、一级缓存的生命周期有多长？  
4、Cache接口的设计以及CacheKey的定义  
5、一级缓存的性能分析以及应该注意的事项

### 二.什么是一级缓存？ 为什么使用一级缓存？ ###

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资源浪费。

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，不需要再进行一次数据库查询了。

如下图所示，MyBatis会在一次会话的表示----一个SqlSession对象中创建一个本地缓存(local cache)，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，如果在缓存中，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。  
![在这里插入图片描述][20141121213425390]  
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。

### 三.MyBatis中的一级缓存是怎样组织的？（即SqlSession中的缓存是怎样组织的？） ###

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：  
![在这里插入图片描述][20141120100824184]  
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：  
![在这里插入图片描述][20141119164906640]  
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。如下是PerpetualCache的实现代码：

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;  
      
    /** * 使用简单的HashMap来维护缓存 * @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;  
      }  
      
      public String getId() {   
        return id;  
      }  
      
      public int getSize() {   
        return cache.size();  
      }  
      
      public void putObject(Object key, Object value) {   
        cache.put(key, value);  
      }  
      
      public Object getObject(Object key) {   
        return cache.get(key);  
      }  
      
      public Object removeObject(Object key) {   
        return cache.remove(key);  
      }  
      
      public void clear() {   
        cache.clear();  
      }  
      
      public ReadWriteLock getReadWriteLock() {   
        return null;  
      }  
      
      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());  
      }  
      
      public int hashCode() {   
        if (getId() == null) throw new CacheException("Cache instances require an ID.");  
        return getId().hashCode();  
      }  
      
    }

### 四.一级缓存的生命周期有多长？ ###

*  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；
 *  ![在这里插入图片描述][20141120104257906]

### 五. SqlSession 一级缓存的工作流程： ###

*  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；
 *  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；
 *  如果命中，则直接将缓存结果返回；
 *  如果没命中：  
    去数据库中查询数据，得到查询结果；  
    将key和查询到的结果分别作为key,value对存储到Cache中；  
    将查询结果返回；
 *  结束。  
    ![在这里插入图片描述][20141120133247125]

### 六.Cache接口的设计以及CacheKey的定义（非常重要） ###

如下图所示，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。  
（MyBatis内部还有很多Cache接口的实现，一级缓存只会涉及到这一个PerpetualCache子类，Cache的其他实现将会放到二级缓存中介绍）。  
![在这里插入图片描述][20141120134402285]  
我们知道，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两次查询：

1.  传入的 statementId
2.  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）；
3.  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() ）
4.  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：

1.  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；
2.  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；  
3、4讲的有可能比较含糊，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最本质的要求就是：  
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

**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。  
我们知道创建CacheKey的目的，就两个：  
1. 根据CacheKey作为key,去Cache缓存中查找缓存结果；  
2. 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：

/** * 所属类: org.apache.ibatis.executor.BaseExecutor * 功能 : 根据传入信息构建CacheKey */  
    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();  
      for (int i = 0; i < parameterMappings.size(); i++) {  // mimic DefaultParameterHandler logic 
        ParameterMapping parameterMapping = parameterMappings.get(i);  
        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);  
        }  
      }  
      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，感兴趣的话可以看一下：

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);  
     }

### 七.一级缓存的性能分析 ###

我将从两个 一级缓存的特性来讨论SqlSession的一级缓存性能问题：

**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。**  
读者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？ 读者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：**  
1、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；  
2、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。

例1、看下面这个例子，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;  
      
    import com.louis.mybatis.model.Employee;  
      
    /** * SqlSession 简单查询演示类 * @author louluan */  
    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");  
        }  
      
    }

运行结果:  
![在这里插入图片描述][20141119161312532]  
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。

例2、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：  
![在这里插入图片描述][20141120171810031]  
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。  
**读到这里，请读者晓得这一个问题：**  
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。

[https_blog.csdn.net_xiaolyuh123_article_details_73650236]: https://blog.csdn.net/xiaolyuh123/article/details/73650236
[20141121213425390]: /images/20220323/77afb2c861d44748961f69732de2b246.png
[20141120100824184]: /images/20220323/d383ec34dd12483c9339ae14b86ee197.png
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[20141120133247125]: /images/20220323/48d6d64383054d40a1877abe448397ea.png
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[20141119161312532]: /images/20220323/56d0a7fe46184f2ba1158a006192e1d5.png
[20141120171810031]: /images/20220323/f3fc74e8b7f4410491d28d3e40c4d757.png