Golang中的缓存库freecache怎么用
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go开发缓存场景一般使用map或者缓存框架，为了线程安全会使用sync.Map或线程安全的缓存框架。
缓存场景中如果数据量大于百万级别，需要特别考虑数据类型对于gc的影响（注意string类型底层是指针+Len+Cap，因此也算是指针类型），如果缓存key和value都是非指针类型的话就无需多虑了。
但实际应用场景中，key和value是(包含)指针类型数据是很常见的，因此使用缓存框架需要特别注意其对gc影响，从是否对GC影响角度来看缓存框架大致分为2类：
零GC开销：比如freecache或bigcache这种，底层基于ringbuf，减小指针个数；
有GC开销：直接基于Map来实现的缓存框架。
对于map而言，gc时会扫描所有key/value键值对，如果其都是基本类型，那么gc便不会再扫描。
下面以freecache为例分析下其实现原理，代码示例如下：
func main() { cacheSize := 100 * 1024 * 1024 cache := freecache.NewCache(cacheSize) for i := 0; i < N; i++ { str := strconv.Itoa(i) _ = cache.Set([]byte(str), []byte(str), 1) } now := time.Now() runtime.GC() fmt.Printf("freecache, GC took: %s\n", time.Since(now)) _, _ = cache.Get([]byte("aa")) now = time.Now() for i := 0; i < N; i++ { str := strconv.Itoa(i) _, _ = cache.Get([]byte(str)) } fmt.Printf("freecache, Get took: %s\n\n", time.Since(now))}1 初始化
freecache.NewCache会初始化本地缓存，size表示存储空间大小，freecache会初始化256个segment，每个segment是独立的存储单元，freecache加锁维度也是基于segment的，每个segment有一个ringbuf，初始大小为size/256。freecache号称零GC的来源就是其指针是固定的，只有512个，每个segment有2个，分别是rb和slotData（注意切片为指针类型）。
type segment struct { rb RingBuf // ring buffer that stores data segId int _ uint32 // 占位 missCount int64 hitCount int64 entryCount int64 totalCount int64 // number of entries in ring buffer, including deleted entries. totalTime int64 // used to calculate least recent used entry. timer Timer // Timer giving current time totalEvacuate int64 // used for debug totalExpired int64 // used for debug overwrites int64 // used for debug touched int64 // used for debug vacuumLen int64 // up to vacuumLen, new data can be written without overwriting old data. slotLens [256]int32 // The actual length for every slot. slotCap int32 // max number of entry pointers a slot can hold. slotsData []entryPtr // 索引指针}func NewCacheCustomTimer(size int, timer Timer) (cache *Cache) { cache = new(Cache) for i := 0; i < segmentCount; i++ { cache.segments[i] = newSegment(size/segmentCount, i, timer) }}func newSegment(bufSize int, segId int, timer Timer) (seg segment) { seg.rb = NewRingBuf(bufSize, 0) seg.segId = segId seg.timer = timer seg.vacuumLen = int64(bufSize) seg.slotCap = 1 seg.slotsData = make([]entryPtr, 256*seg.slotCap) // 每个slotData初始化256个单位大小}2 读写流程
freecache的key和value都是[]byte数组，使用时需要自行序列化和反序列化，如果缓存复杂对象不可忽略其序列化和反序列化带来的影响，首先看下Set流程：
_ = cache.Set([]byte(str), []byte(str), 1)
Set流程首先对key进行hash，hashVal类型uint64，其低8位segID对应segment数组，低8-15位表示slotId对应slotsData下标，高16位表示slotsData下标对应的[]entryPtr某个数据，这里需要查找操作。注意[]entryPtr数组大小为slotCap(初始为1)，当扩容时会slotCap倍增。
每个segment对应一个lock（sync.Mutex），因此其能够支持较大并发量，而不像sync.Map只有一个锁。
func (cache *Cache) Set(key, value []byte, expireSeconds int) (err error) { hashVal := hashFunc(key) segID := hashVal & segmentAndOpVal // 低8位 cache.locks[segID].Lock() // 加锁 err = cache.segments[segID].set(key, value, hashVal, expireSeconds) cache.locks[segID].Unlock()}func (seg *segment) set(key, value []byte, hashVal uint64, expireSeconds int) (err error) { slotId := uint8(hashVal >> 8) hash26 := uint16(hashVal >> 16) slot := seg.getSlot(slotId) idx, match := seg.lookup(slot, hash26, key) var hdrBuf [ENTRY_HDR_SIZE]byte hdr := (*entryHdr)(unsafe.Pointer(&hdrBuf[0])) if match { // 有数据更新操作 matchedPtr := &slot[idx] seg.rb.ReadAt(hdrBuf[:], matchedPtr.offset) hdr.slotId = slotId hdr.hash26 = hash26 hdr.keyLen = uint16(len(key)) originAccessTime := hdr.accessTime hdr.accessTime = now hdr.expireAt = expireAt hdr.valLen = uint32(len(value)) if hdr.valCap >= hdr.valLen { // 已存在数据value空间能存下此次value大小 atomic.AddInt64(&seg.totalTime, int64(hdr.accessTime)-int64(originAccessTime)) seg.rb.WriteAt(hdrBuf[:], matchedPtr.offset) seg.rb.WriteAt(value, matchedPtr.offset+ENTRY_HDR_SIZE+int64(hdr.keyLen)) atomic.AddInt64(&seg.overwrites, 1) return } // 删除对应entryPtr，涉及到slotsData内存copy，ringbug中只是标记删除 seg.delEntryPtr(slotId, slot, idx) match = false // increase capacity and limit entry len. for hdr.valCap < hdr.valLen { hdr.valCap *= 2 } if hdr.valCap > uint32(maxKeyValLen-len(key)) { hdr.valCap = uint32(maxKeyValLen - len(key)) } } else { // 无数据 hdr.slotId = slotId hdr.hash26 = hash26 hdr.keyLen = uint16(len(key)) hdr.accessTime = now hdr.expireAt = expireAt hdr.valLen = uint32(len(value)) hdr.valCap = uint32(len(value)) if hdr.valCap == 0 { // avoid infinite loop when increasing capacity. hdr.valCap = 1 } } // 数据实际长度为 ENTRY_HDR_SIZE=24 + key和value的长度 entryLen := ENTRY_HDR_SIZE + int64(len(key)) + int64(hdr.valCap) slotModified := seg.evacuate(entryLen, slotId, now) if slotModified { // the slot has been modified during evacuation, we need to looked up for the 'idx' again. // otherwise there would be index out of bound error. slot = seg.getSlot(slotId) idx, match = seg.lookup(slot, hash26, key) // assert(match == false) } newOff := seg.rb.End() seg.insertEntryPtr(slotId, hash26, newOff, idx, hdr.keyLen) seg.rb.Write(hdrBuf[:]) seg.rb.Write(key) seg.rb.Write(value) seg.rb.Skip(int64(hdr.valCap - hdr.valLen)) atomic.AddInt64(&seg.totalTime, int64(now)) atomic.AddInt64(&seg.totalCount, 1) seg.vacuumLen -= entryLen return}seg.evacuate会评估ringbuf是否有足够空间存储key/value，如果空间不够，其会从空闲空间尾部后一位（也就是待淘汰数据的开始位置）开始扫描（oldOff := seg.rb.End() + seg.vacuumLen - seg.rb.Size()），如果对应数据已被逻辑deleted或者已过期，那么该块内存可以直接回收，如果不满足回收条件，则将entry从环头调换到环尾，再更新entry的索引，如果这样循环5次还是不行，那么需要将当前oldHdrBuf回收以满足内存需要。
执行完seg.evacuate所需空间肯定是能满足的，然后就是写入索引和数据了，insertEntryPtr就是写入索引操作，当[]entryPtr中元素个数大于seg.slotCap(初始1)时，需要扩容操作，对应方法见seg.expand，这里不再赘述。
写入ringbuf就是执行rb.Write即可。
func (seg *segment) evacuate(entryLen int64, slotId uint8, now uint32) (slotModified bool) { var oldHdrBuf [ENTRY_HDR_SIZE]byte consecutiveEvacuate := 0 for seg.vacuumLen < entryLen { oldOff := seg.rb.End() + seg.vacuumLen - seg.rb.Size() seg.rb.ReadAt(oldHdrBuf[:], oldOff) oldHdr := (*entryHdr)(unsafe.Pointer(&oldHdrBuf[0])) oldEntryLen := ENTRY_HDR_SIZE + int64(oldHdr.keyLen) + int64(oldHdr.valCap) if oldHdr.deleted { // 已删除 consecutiveEvacuate = 0 atomic.AddInt64(&seg.totalTime, -int64(oldHdr.accessTime)) atomic.AddInt64(&seg.totalCount, -1) seg.vacuumLen += oldEntryLen continue } expired := oldHdr.expireAt != 0 && oldHdr.expireAt < now leastRecentUsed := int64(oldHdr.accessTime)*atomic.LoadInt64(&seg.totalCount) <= atomic.LoadInt64(&seg.totalTime) if expired || leastRecentUsed || consecutiveEvacuate > 5 { // 可以回收 seg.delEntryPtrByOffset(oldHdr.slotId, oldHdr.hash26, oldOff) if oldHdr.slotId == slotId { slotModified = true } consecutiveEvacuate = 0 atomic.AddInt64(&seg.totalTime, -int64(oldHdr.accessTime)) atomic.AddInt64(&seg.totalCount, -1) seg.vacuumLen += oldEntryLen if expired { atomic.AddInt64(&seg.totalExpired, 1) } else { atomic.AddInt64(&seg.totalEvacuate, 1) } } else { // evacuate an old entry that has been accessed recently for better cache hit rate. newOff := seg.rb.Evacuate(oldOff, int(oldEntryLen)) seg.updateEntryPtr(oldHdr.slotId, oldHdr.hash26, oldOff, newOff) consecutiveEvacuate++ atomic.AddInt64(&seg.totalEvacuate, 1) } }}freecache的Get流程相对来说简单点，通过hash找到对应segment，通过slotId找到对应索引slot，然后通过二分+遍历寻找数据，如果找不到直接返回ErrNotFound，否则更新一些time指标。Get流程还会更新缓存命中率相关指标。
func (cache *Cache) Get(key []byte) (value []byte, err error) { hashVal := hashFunc(key) segID := hashVal & segmentAndOpVal cache.locks[segID].Lock() value, _, err = cache.segments[segID].get(key, nil, hashVal, false) cache.locks[segID].Unlock() return}func (seg *segment) get(key, buf []byte, hashVal uint64, peek bool) (value []byte, expireAt uint32, err error) { hdr, ptr, err := seg.locate(key, hashVal, peek) // hash+定位查找 if err != nil { return } expireAt = hdr.expireAt if cap(buf) >= int(hdr.valLen) { value = buf[:hdr.valLen] } else { value = make([]byte, hdr.valLen) } seg.rb.ReadAt(value, ptr.offset+ENTRY_HDR_SIZE+int64(hdr.keyLen))}定位到数据之后，读取ringbuf即可，注意一般来说读取到的value是新创建的内存空间，因此涉及到[]byte数据的复制操作。
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