一.背景

性能優化是一場永無止境的旅程。

到家門店系統，作爲到家核心基礎服務之一，門店C端接口有着調用量高，性能要求高的特點。

C端服務經過演進，核心接口先查詢本地緩存，如果本地緩存沒有命中，再查詢Redis。本地緩存命中率99%，服務性能比較平穩。

隨着門店數據越來越多，本地緩存容量逐漸增大到3G左右。雖然對垃圾回收器和JVM參數都進行調整，由於本地緩存數據量越來越大，本地緩存數據對於應用GC的影響越來越明顯，YGC平均耗時****100ms，特別是大促期間調用方接口毛刺感知也越來越明顯。

由於本地緩存在每臺機器上容量是固定的，即便是將機器擴容，對與GC毛刺也沒有明顯效果。

框架	簡介	特點	堆外緩存	性能（一般情況）
Guava Cache	Guava Cache是Google的本地緩存庫，提供了基本的緩存功能。它簡單易用、輕量級，並支持基本的緩存操作。	·支持最大容量限制 ·支持兩種過期刪除策略（插入時間和訪問時間） ·支持簡單的統計功能 ·基於LRU算法實現	不支持	性能中等
Caffeine	Caffeine是一個高性能的本地緩存庫，提供了豐富的功能和配置選項。它支持高併發性能、低延遲和一些高級功能，如緩存過期、異步刷新和緩存統計等。	·提供了豐富的功能和配置選項；高併發性能和低延遲；支持緩存過期、異步刷新和緩存統計等功能； ·基於java8實現的新一代緩存工具，緩存性能接近理論最優。 ·可以看作是Guava Cache的增強版，功能上兩者類似，不同的是Caffeine採用了一種結合LRU、LFU優點的算法：W-TinyLFU，在性能上有明顯的優越性	不支持	性能出色
Ehcache	Encache是一個純Java的進程內緩存框架，具有快速、精幹等特點，是Hibernate中默認的CacheProvider。同Caffeine和Guava Cache相比，Encache的功能更加豐富，擴展性更強	·支持多種緩存淘汰算法，包括LRU、LFU和FIFO ·緩存支持堆內存儲、堆外存儲、磁盤存儲（支持持久化）三種 ·支持多種集羣方案，解決數據共享問題	支持	性能一般
OHC	OHC（Off-Heap Cache）是一個高性能的堆外緩存庫，專爲高併發和低延遲而設計。它使用堆外內存和自定義的數據結構來提供出色的性能	·針對高併發和低延遲進行了優化；使用自定義數據結構和無鎖併發控制；較低的GC開銷； ·在高併發和低延遲的緩存訪問場景下表現出色	支持	性能最佳

通過對本地緩存的調研，堆外緩存可以很好兼顧上面的問題。堆外緩存把數據放在JVM堆外的，緩存數據對GC影響較小，同時它是在機器內存中的，相對與Redis也沒有網絡開銷，最終選擇OHC。

三.習得技能心自安-OHC使用

talk is cheap, show me the code! OCH是騾子是馬我們遛一遛。

1.引入POM

OHC 存儲的是二進制數組，需要實現OHC序列化接口，將緩存數據與二進制數組之間序列化和反序列化。

這裏使用的是Protostuff，當然也可以使用kryo、Hession等，通過壓測驗證選擇適合的序列化框架。

<!--OHC相關-->
<dependency>
	<groupId>org.caffinitas.ohc</groupId>
	<artifactId>ohc-core</artifactId>
	<version>0.7.4</version>
</dependency>

<!--OHC 存儲的是二進制數組，所以需要實現OHC序列化接口，將緩存數據與二進制數組之間序列化和反序列化-->
<!--這裏使用的是protostuff，當然也可以使用kryo、Hession等，通過壓測驗證選擇適合的-->
<dependency>
	<groupId>io.protostuff</groupId>
	<artifactId>protostuff-core</artifactId>
	<version>1.6.0</version>
</dependency>
<dependency>
	<groupId>io.protostuff</groupId>
	<artifactId>protostuff-runtime</artifactId>
	<version>1.6.0</version>
</dependency>

2.創建OHC緩存

OHC緩存創建

OHCache<String, XxxxInfo> basicStoreInfoCache = OHCacheBuilder.<String, XxxxInfo>newBuilder()
                    .keySerializer(new OhcStringSerializer()) //key的序列化器
                    .valueSerializer(new OhcProtostuffXxxxInfoSerializer()) //value的序列化器
                    .segmentCount(512) // 分段數量 默認=2*CPU核數
                    .hashTableSize(100000)// 哈希表大小 默認=8192
                    .capacity(1024 * 1024 * 1024) //緩存容量 單位B 默認64MB
                    .eviction(Eviction.LRU) // 淘汰策略 可選LRU\W_TINY_LFU\NONE
                    .timeouts(false) //不使用過期時間，根據業務自己選擇
                    .build();

自定義序列化器，這裏key-String 序列化器，這裏直接複用OCH源碼中測試用例的String序列化器；

value-自定義對象序列化器，這裏用Protostuff實現,也可以自己選擇使用kryo、Hession等實現；

//key-String 序列化器，這裏直接複用OCH源碼中測試用例的String序列化器
public class OhcStringSerializer implements CacheSerializer<String> {

    @Override
    public int serializedSize(String value) {
        return writeUTFLen(value);
    }

    @Override
    public void serialize(String value, ByteBuffer buf) {
        // 得到字符串對象UTF-8編碼的字節數組
        byte[] bytes = value.getBytes(Charsets.UTF_8);
        buf.put((byte) ((bytes.length >>> 8) & 0xFF));
        buf.put((byte) ((bytes.length >>> 0) & 0xFF));
        buf.put(bytes);
    }


    @Override
    public String deserialize(ByteBuffer buf) {
        int length = (((buf.get() & 0xff) << 8) + ((buf.get() & 0xff) << 0));
        byte[] bytes = new byte[length];
        buf.get(bytes);
        return new String(bytes, Charsets.UTF_8);
    }
    static int writeUTFLen(String str) {
        int strlen = str.length();
        int utflen = 0;
        int c;

        for (int i = 0; i < strlen; i++) {
            c = str.charAt(i);
            if ((c >= 0x0001) && (c <= 0x007F)){
                utflen++;}
            else if (c > 0x07FF){
                utflen += 3;}
            else{
                utflen += 2;
            }
        }

        if (utflen > 65535) {
            throw new RuntimeException("encoded string too long: " + utflen + " bytes");
        }
        return utflen + 2;
    }
}


//value-自定義對象序列化器，這裏用Protostuff實現,可以自己選擇使用kryo、Hession等實現
public class OhcProtostuffXxxxInfoSerializer implements CacheSerializer<XxxxInfo> {

    /**
     * 將緩存數據序列化到 ByteBuffer 中，ByteBuffer是OHC管理的堆外內存區域的映射。
     */
    @Override
    public void serialize(XxxxInfo t, ByteBuffer byteBuffer) {
        byteBuffer.put(ProtostuffUtils.serialize(t));
    }
    /**
     * 對堆外緩存的數據進行反序列化
     */
    @Override
    public XxxxInfo deserialize(ByteBuffer byteBuffer) {
        byte[] bytes = new byte[byteBuffer.remaining()];
        byteBuffer.get(bytes);
        return ProtostuffUtils.deserialize(bytes, XxxxInfo.class);
    }

    /**
     * 計算字序列化後佔用的空間
     */
    @Override
    public int serializedSize(XxxxInfo t) {
        return ProtostuffUtils.serialize(t).length;
    }
}

爲了方便調用和序列化封裝爲工具類，同時對代碼通過FastThreadLocal進行優化，提升性能。

public class ProtostuffUtils {

    /**
     * 避免每次序列化都重新申請Buffer空間，提升性能
     */
    private static final FastThreadLocal<LinkedBuffer> bufferPool = new FastThreadLocal<LinkedBuffer>() {
        @Override
        protected LinkedBuffer initialValue() throws Exception {
            return LinkedBuffer.allocate(4 * 2 * LinkedBuffer.DEFAULT_BUFFER_SIZE);
        }
    };

    /**
     * 緩存Schema
     */
    private static Map<Class<?>, Schema<?>> schemaCache = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 序列化方法，把指定對象序列化成字節數組
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static <T> byte[] serialize(T obj) {
        Class<T> clazz = (Class<T>) obj.getClass();
        Schema<T> schema = getSchema(clazz);
        byte[] data;
        LinkedBuffer linkedBuffer = null;
        try {
            linkedBuffer = bufferPool.get();
            data = ProtostuffIOUtil.toByteArray(obj, schema, linkedBuffer);
        } finally {
            if (Objects.nonNull(linkedBuffer)) {
                linkedBuffer.clear();
            }
        }

        return data;
    }

    /**
     * 反序列化方法，將字節數組反序列化成指定Class類型
     */
    public static <T> T deserialize(byte[] data, Class<T> clazz) {
        Schema<T> schema = getSchema(clazz);
        T obj = schema.newMessage();
        ProtostuffIOUtil.mergeFrom(data, obj, schema);
        return obj;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    private static <T> Schema<T> getSchema(Class<T> clazz) {
        Schema<T> schema = (Schema<T>) schemaCache.get(clazz);
        if (Objects.isNull(schema)) {
            schema = RuntimeSchema.getSchema(clazz);
            if (Objects.nonNull(schema)) {
                schemaCache.put(clazz, schema);
            }
        }

        return schema;
    }
}

3.壓測及參數調整

通過壓測並逐步調整OHC配置常見參數（segmentCount、hashTableSize、eviction，參數含義見附錄）

MAX對比降低10倍

GC時間對比降低10倍

優化前

優化後

4.OHC緩存狀態監控

OHC緩存的命中次數、內存使用狀態等存儲在OHCacheStats中，可以通過OHCache.stats()獲取。

OHCacheStates信息：

hitCount ：緩存命中次數，表示從緩存中成功獲取數據的次數。 missCount ：緩存未命中次數，表示嘗試從緩存中獲取數據但未找到的次數。 evictionCount ：緩存驅逐次數，表示因爲緩存空間不足而從緩存中移除的數據項數量。 expireCount ：緩存過期次數，表示因爲緩存數據過期而從緩存中移除的數據項數量。 size ：緩存當前存儲的數據項數量。 capacity ：緩存的最大容量，表示緩存可以存儲的最大數據項數量。 free ：緩存剩餘空閒容量，表示緩存中未使用的可用空間。 rehashCount ：重新哈希次數，表示進行哈希表重新分配的次數。 put(add/replace/fail) ：數據項添加/替換/失敗的次數。 removeCount ：緩存移除次數，表示從緩存中移除數據項的次數。 segmentSizes(#/min/max/avg) ：段大小統計信息，包括段的數量、最小大小、最大大小和平均大小。 totalAllocated ：已分配的總內存大小，表示爲負數時表示未知。 lruCompactions ：LRU 壓縮次數，表示進行 LRU 壓縮的次數。

通過定期採集OHCacheStates信息，來監控本地緩存數據、命中率=[命中次數 / (命中次數 + 未命中次數)]等，並添加相關報警。同時通過緩存狀態信息，來判斷過期策略、段數、容量等設置是否合理，命中率是否符合預期等。

四.剖析根源見真諦-OHC原理

堆外緩存框架（Off-Heap Cache）是將緩存數據存儲在 JVM 堆外的內存區域，而不是存儲在 JVM 堆中。在 OHC（Off-Heap Cache）中，數據也是存儲在堆外的內存區域。

具體來說，OHC 使用 DirectByteBuffer 來分配堆外內存，並將緩存數據存儲在這些 DirectByteBuffer 中。

DirectByteBuffer 在 JVM 堆外的內存區域中分配一塊連續的內存空間，緩存數據被存儲在這個內存區域中。這使得 OHC 在處理大量數據時具有更高的性能和效率，因爲它可以避免 JVM 堆的垃圾回收和堆內存限制。

OHC 核心OHCache接口提供了兩種實現：

OHCacheLinkedImpl：實現爲每個條目單獨分配堆外內存，最適合中型和大型條目。
OHCacheChunkedImpl：實現爲每個散列段作爲一個整體分配堆外內存，並且適用於小條目。（實驗性的，不推薦,不做關注）

可以看到OHCacheLinkedImpl中包含多個段，每個段用OffHeapLinkedMap來表示。同時，OHCacheLinkedImpl將Java對象序列化成字節數組存儲在堆外，在該過程中需要使用用戶自定義的CacheSerializer。

OHCacheLinkedImpl的主要工作流程如下：

計算key的hash值，根據hash值計算段號，確定其所處的OffHeapLinkedMap
從OffHeapLinkedMap中獲取該鍵值對的堆外內存地址(指針)
對於get操作，從指針所指向的堆外內存讀取byte[]，把byte[]反序列化成對象
對於put操作，把對象序列化成byte[]，並寫入指針所指向的堆外內存

可以將OHC理解爲一個key-value結果的map,只不過這個map數據存儲是指向堆外內存的內存指針。

指針在堆內，指針指向的緩存數據存儲在堆外。那麼OHC最核心的其實就是對堆外內存的地址引用的put和get以及發生在其中內存空間的操作了。

對OHCacheLinkedImpl的put、get本地調試

1.put

put核心操作就是

1.申請堆外內存

2.將申請地址存入map;

3.異常時釋放內存

第2步其實就是map數據更新、擴容等的一些實現這裏不在關注，我們重點關注怎麼申請和釋放內存的

1.申請內存

通過深入代碼發現是調用的IAllocator接口的JNANativeAllocator實現類，最後調用的是com.sun.jna.Native#malloc實現

2.釋放內存

通過上面可知釋放內存操作的代碼

2.get

3.Q&A

在put操作時，上面看到IAllocator有兩個實現類，JNANativeAllocator和UnsafeAllocator兩個實現類，他們有什麼區別？爲什麼使用JNANativeAllocator?

區別：UnsafeAllocator對內存操作使用的是Unsafe類

爲什麼使用JNANativeAllocator：Native比Unsafe性能更好，差3倍左右，OHC默認使用JNANativeAllocator；

在日常我們知道通過ByteBuffer#allocateDirect(int capacity)也可以直接申請堆外內存，通過ByteBuffer源碼可以看到內部使用的就是Unsafe類

可以看到，同時DirectByteBuffer內部會調用 Bits.reserveMemory(size, cap);

Bits.reserveMemory方法中，當內存不足時可能會觸發fullgc，多個申請內存的線程同時遇到這種情況時，對於服務來說是不能接受的，所以這也是OHC自己進行堆外內存管理的原因。

如果自己進行實現堆外緩存框架，要考慮上面這種情況。

五.總結

1.OHC使用建議

對於OHC的參數配置、序列化器的選擇，沒有固定的推薦。可以通過壓測逐步調整到最優。
由於OHC需要把key和value序列化成字節數組存儲到堆外，因此需要選擇合適的序列化工具。
在存儲每個鍵值對時，會調用CacheSerializer#serializedSize計算序列化後的內存空間佔用，從而申請堆外內存。另外，在真正寫入堆外時，會調用CacheSerializer#serialize真正進行序列化。因此，務必在這兩個方法中使用相同的序列化方法，防止序列化的大小與計算出來的大小不一致，導致內存存不下或者多申請，浪費內存空間。

2.緩存優化建議

當本地緩存影響GC時，可以考慮使用OHC減少本地緩存對GC的影響；
區分熱點數據，對緩存數據進行多級拆分，如堆內->堆外->分佈式緩存(Reids )等；
將較大緩存對象拆分或者按照業務維度將不同熱點數據緩存到不同介質中，減少單一存儲介質壓力；
減小緩存對象大小，如緩存JSON字符，可對字段名進行縮寫 ,減少存儲數據量，降低傳輸數據量，同時也能保證數據一定的私密性。

對象：{"paramID":1,"paramName":"John Doe"} 正常JSON字符串：{"paramID":1,"paramName":"John Doe"} 壓縮字段名JSON字符串：{"a":1,"b":"John Doe"}

Hold hold , One more thing....

在使用Guava時，存儲25w個緩存對象數據佔用空間485M

使用OHCache時，儲存60w個緩存對象數據佔用數據387M

爲什麼存儲空間差別那麼多吶？

Guava 存儲的對象是在堆內存中的，對象在 JVM 堆中存儲時，它們會佔用一定的內存空間，並且會包含對象頭、實例數據和對齊填充等信息。對象的大小取決於其成員變量的類型和數量，以及可能存在的對齊需求。同時當對象被頻繁創建和銷燬時，可能會產生內存碎片。

而 OHC 它將對象存儲在 JVM 堆外的直接內存中。由於堆外內存不受 Java 堆內存大小限制，OHC 可以更有效地管理和利用內存。此外，OHC 底層存儲字節數組，存儲字節數組相對於直接存儲對象，可以減少對象的創建和銷燬，在一些場景下，直接操作字節數組可能比操作對象更高效，因爲它避免了對象的額外開銷，如對象頭和引用，減少額外的開銷。同時將對象序列化爲二進制數組存儲，內存更加緊湊，減少內存碎片的產生。

綜上所述，OHC 在存儲大量對象時能夠更有效地利用內存空間，相對於 Guava 在內存佔用方面具有優勢。

另外一個原因，不同序列化框架性能不同，將對象序列化後的佔用空間的大小也不同。

參考及附錄

1.OHC常見參數

name	默認值	描述
keySerializer	需要開發者實現	Key序列化實現
valueSerializer	需要開發者實現	Value序列化實現
capacity	64MB	緩存容量單位B
segmentCount	2倍CPU核心數	分段數量
hashTableSize	8192	哈希表的大小
loadFactor	0.75	負載因子
maxEntrySize	capacity/segmentCount	緩存項最大字節限制
throwOOME	false	內存不足是否拋出OOM
hashAlgorighm	MURMUR3	hash算法，可選性MURMUR3、 CRC32, CRC32C （Jdk9以上支持）
unlocked	false	讀寫數據是否加鎖，默認是加鎖
eviction	LRU	驅逐策略，可選項：LRU、W_TINY_LFU、NONE
frequencySketchSize	hashTableSize數量	W_TINY_ LFU frequency sketch 的大小
edenSize	0.2	W_TINY_LFU 驅逐策略下使用

2.JNI faster than Unsafe?

https://mail.openjdk.org/pipermail/hotspot-dev/2015-February/017089.html

3.OHC源碼

https://github.com/snazy/ohc

4.參考文檔

• 序列化框架對比

• Java堆外緩存OHC在馬蜂窩推薦引擎的應用

• “堆外緩存”這玩意是真不錯，我要寫進簡歷了。

• 如何使用OHC提升系統吞吐量

作者：京東零售趙雪召

來源：京東雲開發者社區轉載請註明來源

一招MAX降低10倍，現在它是我的了 | 京東雲技術團隊

一.背景

三.習得技能心自安-OHC使用

1.引入POM

2.創建OHC緩存

3.壓測及參數調整

4.OHC緩存狀態監控

四.剖析根源見真諦-OHC原理

1.put

1.申請內存

2.釋放內存

2.get

3.Q&A

五.總結

1.OHC使用建議

2.緩存優化建議

Hold hold , One more thing....

參考及附錄

【面試準備】又一次失敗的面試經歷，題目離譜～資深軟件測試工程師

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