在日常开发中有很多这样的场景：有一些业务系统的配置信息，数据量不大，修改频率不高，但是访问很频繁。如果每次程序都从数据库或集中式缓存中获取，受限于硬盘 I/O性能、远程网络访问限制等，程序的执行效率不高。在这样的业务场景中，我们可以通过本地缓存来提升数据访问的效率。
今天我们来基于ConcurrentHashMap与ScheduledThreadPoolExecutor来实现一个线程安全的本地缓存：LocalCache。在LocalCache中支持永久缓存与临时缓存，永久缓存的数据一直有效，临时缓存的数据在指定时间到期之后会自动从缓存中移出。
LocalCache提供了数据安全的增、删、改、查功能，具体方法如下所示：
方法名称 | 方法说明 |
put(String key , V value) | 向缓存中插入数据，数据永久有效 |
put(String key , V value , int seconds) | 向缓存中插入数据，数据根据设定的时间生效，时间到期会从缓存中移出 |
containKey(String key) | 判断缓存中是否包含对应的key |
get(String key) | 根据key从缓存中获取数据 |
remove(String key) | 移出缓存中对应key的数据 |
shutdownNow() | 关闭缓存池 |
1. 设计原理
LocalCache主要由3个部分组成：数据缓存、数据超时时间、数据清理任务。数据缓存和数据超时时间都采用ConcurrentHashMap来存储数据，数据超时时间中Key为数据存储的键，value是数据的时间戳。数据清理任务采用ScheduledThreadPoolExecutor实现任务调度，默认的任务线程数为1，这样可以避免多线程带来的并发修改问题，同时线程都是内存操作，这样单线程同样具备高性能。
本地缓存的设计如下图所示：
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每次项缓存中插入数据时，LocalCache首先会将数据插入到ConcurrentHashMap中。然后判断有没有设置超时时间，如果有超时时间，LocalCache会将失效时间插入到ConcurrentHashMap中，并创建数据清理任务，之后任务提交到ScheduledThreadPoolExecutor线程池中。
每次从缓存中查询数据，LocalCache会直接从ConcurrentHashMap中读取数据。
定时任务线程池会按照超时时间来触发数据清理任务，数据清理任务会从数据时长的缓存池中获取Key对应的时间，判断当前Key对应的数据是否已经到期了。如果数据已经到期了，LocalCache会调用remove方法将数据从缓存池中移除。
2. 实现方案
LocalCache作为本地缓存的接口，定义了数据插入、数据删除、数据查询的相关接口方法。DefaultLocalCache 定义了两个ConcurrentHashMap变量：dataMap和timeOutMap。dataMap用来缓存数据信息，timeOutMap用来存储数据失效的时间戳，同时还定义了数据清理任务ClearTask，ClearTask负责将过期的数据从dataMap中移除。UML图如下所示：
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3. 代码展示
3.1 接口定义
public interface LocalCache<V> {
/**
* 插入数据，数据永久有效
*/
boolean put(String key, V value);
/**
* 插入数据，在指定时间内生效
*/
boolean put(String key, V value, int seconds);
/**
* 是否包含指定的key
*/
boolean containKey(String key);
/**
* 获取指定Key的值
*/
V get(String key);
/**
* 从缓存中移除key对应的数据
*/
void remove(String key);
void shutdownNow();
}在接口LocalCache中定义了两个数据插入的put接口：一个没有到期时间，另一个有到期时间。没有到期时间表示数据永久有效，有到期时间的数据会在到期后从缓存中移除。
接口实现
在接口实现DefaultLocalCache内部定义了三个常量：缓存的默认大小DEFAULT_CAPACITY、最大容量MAX_CAPACITY、定时线程池的大小DEFAULT_THREAD_SIZE。核心代码如下：
public class DefaultLocalCache<V> implements LocalCache<V> {
// 默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 1024;
private static final int MAX_CAPACITY = 100000;
private static final int DEFAULT_THREAD_SIZE = 1;
private final int maxSize;
//数据map
private volatile ConcurrentHashMap<String,V> dataMap;
//过期时间
private final ConcurrentHashMap<String,Long> timeOutMap;
//定时任务
private final ScheduledExecutorService executorService;
public DefaultLocalCache() {
maxSize = MAX_CAPACITY;
dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
}
public DefaultLocalCache(int size) {
maxSize = size;
dataMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
timeOutMap = new ConcurrentHashMap<>(DEFAULT_CAPACITY);
executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(DEFAULT_THREAD_SIZE) ;
}
@Override
public boolean put(String key, V value) {
//检查容量
if(checkCapacity()){
dataMap.put(key,value);
return true;
}
return false;
}
@Override
public boolean put(String key, V value, int seconds) {
if(checkCapacity()){
dataMap.put(key,value);
if(seconds >= 0){
timeOutMap.put(key,getTimeOut(seconds));
ClearTask task = new ClearTask(key);
executorService.schedule(task, seconds, TimeUnit.SECONDS);
}
}
return false;
}
......
class ClearTask implements Runnable{
private String key;
public ClearTask(String key){
this.key = key;
}
@Override
public void run() {
//判断缓存中是否有key
if(timeOutMap.contains(key)){
//获取失效时间
Long expire = timeOutMap.get(key);
//如果失效时间大于0，并且比当前时间小，则删除缓存
if(expire > 0){
long now = System.currentTimeMillis();
if(now >= expire){
remove(key);
}
}
}
}
}
}在LocalCache的默认实现DefaultLocalCache中，基于ConcurrentHashMap与ScheduledThreadPoolExecutor结合使用，使得LocalCache支持永久缓存与临时缓存两种能力。
