C#自由组合本地缓存、分布式缓存和数据库的数据

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一、背景介绍：

我们在进行数据存储的时候，有时候会加入本地缓存、分布式缓存以及数据库存储三级的结构，当我们取值的时候经常是像下面这样的流程：

1.先取本地缓存，如果值存在直接返回

2.本地缓存不存在，获取分布式缓存，存在直接返回，并更新本地缓存

3.分布式缓存不存在，查询数据库，更新分布式缓存、更新本地缓存，最后返回

但如果对于一些场景，可能只有本地缓存、只有分布式缓存或者说上面三种的几种组合，我们怎么要应对这样的变化，怎么能抽象出一套方式，能够应对各种不同数据存储方式造成的变化。

二、设计思路：

首先我们分析一下上面这个过程的模型，可以抽象出5个方法：

1.GetDataFromLocalCache

2.GetDataFromDistributeCache

3.GetDataFromDB

4.SetDataToLocalCache

5.SetDataToDistributeCache

其实，不同的场景无非就是这几个方法的组合，只不过里面的内容不同罢了，说到这里我们应该已经有思路了，可以利用委托来实现。

三、详细设计：

①定义一个类，包含上面五个方法的委托；

public class DataOperateInput<T>
{
    public Func<T> GetDataFromLocalCache { get; set; } = null;        //获取本地缓存数据
    public Func<T> GetDataFromDistributeCache { get; set; } = null;   //获取分布式缓存数据
    public Func<T> GetDataFromDb { get; set; } = null;                //获取DB数据
    public Action<T> SetDataTolocalCache { get; set; } = null;        //设置本地缓存数据
    public Action<T> SetDataToDistributeCache { get; set; } = null;   //设置分布式缓存数据
}

②实现一个方法，组合这五个方法。

 public class DataOperate
    {
        /// <summary>
        /// 获取数据入口
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="input"></param>
        /// <returns></returns>
        public T GetData<T>(DataOperateInput<T> input) where T : class, new()
        {
            T result = null;

            //需要从本地缓存取
            if (input.GetDataFromLocalCache != null)
            {
                //调用本地缓存委托方法获取值
                result = input.GetDataFromLocalCache();

                if (result != null)
                {
                    return result;
                }
            }
            //获取值为空或者不从本地缓存获取，调用下面的方法，从分布式缓存和Db中获取数据
            return GetDataFromDistributeAndDB(input);
        }

        /// <summary>
        /// 从分布式缓存和Db中获取数据
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="input"></param>
        /// <returns></returns>
        private T GetDataFromDistributeAndDB<T>(DataOperateInput<T> input) where T : class, new()
        {
            T result = null;

            if (input.GetDataFromDistributeCache != null)
            {
                //从缓存中取值
                result = input.GetDataFromDistributeCache();

                //如果需要设置会本地缓存，那么设置
                if (result != null)
                {
                    //如果设置本地缓存的委托存在，调用它设置本地缓存
                    input.SetDataTolocalCache?.Invoke(result);
                }
            }

            //获取值为空或者不从分布式缓存获取，调用下面的方法，从Db中获取数据
            return GetDataFromDB(input);
        }

        /// <summary>
        /// 从数据库中获取数据
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="input"></param>
        /// <returns></returns>
        private T GetDataFromDB<T>(DataOperateInput<T> input) where T : class, new()
        {
            T result = null;
            if (input.GetDataFromDb != null)
            {
                //从DB中取值
                result = input.GetDataFromDb();

                //如果需要设置会分布式缓存和本地缓存，那么设置
                if (result != null)
                {
                    input.SetDataToDistributeCache?.Invoke(result);
                    input.SetDataTolocalCache?.Invoke(result);
                }
            }
            return result;
        }

    }

③ 具体实现一个服务类，和各种GetData、SetData方法；

A.定义一个枚举类，通过这个枚举可以自由组合数据源

/// <summary>
/// 数据源类别
/// </summary>
[Flags]
public enum DataSourceKind
{
    /// <summary>
    /// 本地缓存
    /// </summary>
    LocalCache = 1,
    /// <summary>
    /// 分布式缓存
    /// </summary>
    DistributeCache = 2,
    /// <summary>
    /// 数据库
    /// </summary>
    DataBase = 4

}

B.定义一个具体的实体类，举例我这里定义了一个User类

public class User : IUser
{
    public long UserId { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
    public int Sex { get; set; }
}

C.实现一个获取用户信息的方法

/// <summary>
    /// 获取用户数据
    /// </summary>
    /// <param name="userId">用户Id（可以是自己相关的业务代码）</param>
    /// <param name="dataSources">数据源类型（调用方可以自己组合）</param>
    /// <param name="needUpdatelocal">是否需要更新本地缓存</param>
    /// <param name="needUpdateDistribute">是否需要更新分布式缓存</param>
    /// <returns></returns>
    public User GetUserInfo(long userId, 
        DataSourceKind dataSources = DataSourceKind.LocalCache , 
        bool needUpdatelocal = false, 
        bool needUpdateDistribute = false)
    {
        Console.WriteLine($"======数据源:{dataSources.ToString()} 是否更新本地:{needUpdatelocal}  是否更新Redis:{needUpdateDistribute}======");
   
        //初始化一个输入参数类
        var input = new DataOperateInput<User>();

        //如果包含从本地缓存取值
        if (dataSources.HasFlag(DataSourceKind.LocalCache))
        {
            input.GetDataFromLocalCache = () =>
            {
                //！！这里可以写具体的 获取本地缓存的处理逻辑
                return GetUserFromLocalCache(userId);
            };
        }

        //如果包含从分布式缓存取值
        if (dataSources.HasFlag(DataSourceKind.DistributeCache))
        {
            input.GetDataFromDistributeCache = () =>
            {       
                //！！这里可以写具体的获取分布式缓存的处理逻辑
                return GetUserFromRedisCache(userId);
            };

            if (needUpdatelocal)
            {
                input.SetDataTolocalCache = (value) =>
                {
                    //！！这里可以写具体的设定本地缓存的处理逻辑
                    SetUserToLocalCache(value);
                };
            }
        }

        //如果包含从数据库缓存取值
        if (dataSources.HasFlag(DataSourceKind.DataBase))
        {
            input.GetDataFromDb = () =>
            {
                //！！这里可以写具体的获取数据库数据的处理逻辑
                return GetUserFromDB(userId);
            };

            if (needUpdateDistribute)
            {
                //！！这里可以写具体的设定分布式缓存的处理逻辑
                input.SetDataToDistributeCache = (value) =>
                {
                    SetUserToRedisCache(value);
                };
            }

            if (needUpdatelocal)
            {
                //！！这里可以写具体的设定本地缓存的处理逻辑
                input.SetDataTolocalCache = (value) =>
                {
                    SetUserToLocalCache(value);
                };
            }
        }

        //执行我们组合好的input
        var result =  new DataOperate().GetData(input);

        Console.WriteLine("=============================================\n");

        return result;
    }

上面的代码描述了使用封装好的GetData的方法的使用，其中有些委托的方法是需要具体实现的，这里我没有详细写。下面列出用于测试的GetUserFromLocalCache、GetUserFromRedisCache、GetUserFromDB、SetUserToLocalCache以及SetUserToRedisCache的代码。

/// <summary>
/// 从本地缓存获取用户信息
/// </summary>
/// <param name="userId"></param>
/// <returns></returns>
private User GetUserFromLocalCache(long userId)
{
    User user = null;

    if (userId == 1 )
    {
        user = new User
        {
            UserId = userId,
            Age = 10,
            Name = $"BigOrange_{userId}",
            Sex = 1
        };
    }

    if (user == null)
    {
        Console.WriteLine($"从本地缓存取值 未查询到  UserId={userId}");
    }
    else
    {
        Console.WriteLine($"从本地缓存取值  UserId={user.UserId} Name={user.Name} ");
    }
    
    return user;
}

/// <summary>
/// 从Redis缓存获取用户信息
/// </summary>
/// <param name="userId"></param>
/// <returns></returns>
private User GetUserFromRedisCache(long userId )
{
    User user = null;
    
    if (userId == 1 || userId == 2 )
    {
        user =  new User
        {
            UserId = userId,
            Age = 10,
            Name = $"BigOrange_{userId}",
            Sex = 1
        };
    }

    if (user == null)
    {
        Console.WriteLine($"从Redis缓存取值 未查询到  UserId={userId}");
    }
    else
    {
        Console.WriteLine($"从Redis缓存取值 UserId={user.UserId} Name={user.Name}");
    }

    return user;
}

/// <summary>
/// 从DB获取用户信息
/// </summary>
/// <param name="userId"></param>
/// <returns></returns>
private User GetUserFromDB(long userId)
{
    Console.WriteLine("从数据库中取值");

    User user = null;

    if (userId == 1 || userId == 2 || userId == 3)
    {
        user = new User
        {
            UserId = userId,
            Age = 10,
            Name = $"BigOrange_{userId}",
            Sex = 1
        };
    }

    if (user == null)
    {
        Console.WriteLine($"从DB取值 未查询到  UserId={userId}");
    }
    else
    {
        Console.WriteLine($"从DB取值 UserId={user.UserId} Name={user.Name}");
    }


    return user;
}

/// <summary>
/// 设置用户信息到本地缓存
/// </summary>
/// <param name="userInfo"></param>
/// <returns></returns>
private bool SetUserToLocalCache(User userInfo)
{
    Console.WriteLine($"设置值到本地缓存:useId = {userInfo.UserId}");
    return true;
}

/// <summary>
/// 设置用户信息到Redis缓存
/// </summary>
/// <param name="userInfo"></param>
/// <returns></returns>
private bool SetUserToRedisCache(User userInfo)
{
    Console.WriteLine($"设置值到Redis缓存:useId = {userInfo.UserId}");
    return true;
}

④测试一下

根据上面的代码，写了一些测试用的条目：

static void Main(string[] args)
{
    var userInfoService = new UserInfoService();

    /*
     * 测试用例 
       数据库中存在 User1、User2、User3 
       分布式缓存 User1、User2
       本地缓存 User1
     */

    //1.只从本地缓存取值
    userInfoService.GetUserInfo(1, DataSourceKind.LocalCache);  
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.LocalCache); 

    //2.只从Redis缓存取值
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.DistributeCache);  
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.DistributeCache);  

    //3.只从DB取值
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.DataBase); 
    userInfoService.GetUserInfo(4, DataSourceKind.DataBase); 

    //4.从本地缓存和Redis取值
    userInfoService.GetUserInfo(1, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache);
    //不更新到本地
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache, false);
    //更新到本地
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache, true);

    //5.从Redis和DB取值
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, false, false);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, false, true);

    //6.从本地和DB取值
    userInfoService.GetUserInfo(1, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DataBase);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DataBase, false,false);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DataBase, true, false);

    //7.三者都使用
    userInfoService.GetUserInfo(1, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase,false,false);
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase,false,false);
    userInfoService.GetUserInfo(2, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, true,false);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase,false,false);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, true, false);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, false, true);
    userInfoService.GetUserInfo(3, DataSourceKind.LocalCache | DataSourceKind.DistributeCache | DataSourceKind.DataBase, true,true);

    Console.ReadKey();
}

执行结果：

======数据源:LocalCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值 UserId=1 Name=BigOrange_1
=============================================

======数据源:LocalCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=2
=============================================

======数据源:DistributeCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
=============================================

======数据源:DistributeCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
=============================================

======数据源:DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
=============================================

======数据源:DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从DB取值未查询到 UserId=4
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值 UserId=1 Name=BigOrange_1
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=2
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache 是否更新本地:True 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=2
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
设置值到本地缓存:useId = 2
=============================================

======数据源:DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
从DB取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
=============================================

======数据源:DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
=============================================

======数据源:DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:True======
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
设置值到Redis缓存:useId = 3
=============================================

======数据源:LocalCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值 UserId=1 Name=BigOrange_1
=============================================

======数据源:LocalCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
=============================================

======数据源:LocalCache, DataBase 是否更新本地:True 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
设置值到本地缓存:useId = 3
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值 UserId=1 Name=BigOrange_1
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=2
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
从DB取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:True 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=2
从Redis缓存取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
设置值到本地缓存:useId = 2
从DB取值 UserId=2 Name=BigOrange_2
设置值到本地缓存:useId = 2
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:True 是否更新Redis:False======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
设置值到本地缓存:useId = 3
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:False 是否更新Redis:True======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
设置值到Redis缓存:useId = 3
=============================================

======数据源:LocalCache, DistributeCache, DataBase 是否更新本地:True 是否更新Redis:True======
从本地缓存取值未查询到 UserId=3
从Redis缓存取值未查询到 UserId=3
从DB取值 UserId=3 Name=BigOrange_3
设置值到Redis缓存:useId = 3
设置值到本地缓存:useId = 3
=============================================

四、总结一下

类似上面的用户信息，可能对于不同系统、不同性能要求，获取方式会有所不同。

打个比方：对于一个后台管理系统，用户信息获取是一个低频操作，可能只需要从数据库中获取，此时一般后台系统不会设置本地缓存和分布式缓存，而对于一个接口系统，可能每天有几百万的访问量，此时如果只从数据库获取，很难承受，所以要利用到分布式缓存和本地缓存。层次越多那么变化和组合也就越多，但是每个实体的存取如果都各自实现自己的方式，又比较浪费，所以如果能抽象出一套方法，只需要告诉方法存取的方式，然后得到自己想要的数据，或许这样是比较好的方式，而具体怎么拿、怎么存，还是由调用的人去给出，这样可以应对复杂的规则。这也是为什么要使用这么多委托的原因，由于像上面获取和设定User缓存的方式多种多样，这么做可以把具体的获取和设置缓存的操作开放给使用者。在系统重构方面上，可以将一些通用的方法抽象出来，相对成本较低，扩展性好一些。

五、题外话

上面的代码中对于更新数据，没有做线程安全处理，多个进程去更新分布式缓存、同一进程的多个线程去更新本地缓存，可能都需要进行锁操作。