缓存

缓存技术在微服务架构中扮演着重要角色，能够显著提升系统性能和扩展性。以下以 Node.js 为例，从不同层次介绍缓存技术的应用场景和实现方式：

---

一、缓存层级与应用场景

1. 客户端缓存

// Express 设置 HTTP 缓存头
app.get('/products/:id', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'public, max-age=3600'); // 浏览器缓存1小时
  // ...返回数据
});

• 场景：静态资源、低频变动的 API 响应
• 工具：HTTP 头（ETag, Last-Modified）、Service Worker

2. API 网关缓存

// 使用 Redis 实现网关层缓存
const redis = new Redis();
const cacheMiddleware = async (req, res, next) => {
  const key = req.originalUrl;
  const cachedData = await redis.get(key);
  if (cachedData) return res.json(JSON.parse(cachedData));
  // ...后续处理并存储到 Redis
};

• 场景：高频读请求（如商品详情页）
• 工具：Redis、Memcached、Nginx 缓存

3. 服务层缓存

// 使用内存缓存库（node-cache）
const NodeCache = require('node-cache');
const cache = new NodeCache({ stdTTL: 600 });

function getProduct(id) {
  const key = `product_${id}`;
  let product = cache.get(key);
  if (!product) {
    product = await db.query('SELECT * FROM products WHERE id = ?', [id]);
    cache.set(key, product);
  }
  return product;
}

• 场景：服务内部高频数据（配置信息、热点数据）
• 工具：node-cache、lru-cache

4. 数据库缓存

// Sequelize 查询缓存
const result = await Product.findAll({
  where: { category: 'electronics' },
  cache: true // 启用查询缓存
});

• 场景：复杂查询结果缓存
• 工具：MySQL Query Cache、MongoDB 缓存引擎、ORM 内置缓存

---

二、典型应用案例

1. 会话状态缓存

// 使用 Redis 存储 JWT 会话
const storeToken = (userId, token) => {
  redis.setex(`session:${userId}`, 3600, token); 
};

// 验证中间件
const verifySession = async (req, res, next) => {
  const token = await redis.get(`session:${req.userId}`);
  if (!token) throw new Error('Invalid session');
  // ...JWT 验证
};

2. 分布式锁

// 使用 Redis 实现分布式锁
const acquireLock = async (key, ttl=10) => {
  const result = await redis.set(key, 'LOCK', 'PX', ttl*1000, 'NX');
  return result === 'OK';
};

// 使用示例
if (await acquireLock('order:123')) {
  try {
    // 处理订单
  } finally {
    await redis.del('order:123');
  }
}

3. 热点数据预加载

// 定时任务预加载热门商品
cron.schedule('*/5 * * * *', async () => {
  const hotProducts = await getTop10Products(); 
  redis.set('hot_products', JSON.stringify(hotProducts), 'EX', 300);
});

---

三、缓存策略与注意事项

1. 失效策略

   • TTL 自动过期（适合最终一致性场景）
   • 主动失效（通过 Pub/Sub 广播更新事件）

     // 数据更新时清除缓存
     redis.publish('cache_invalidate', 'product_123');
     // 订阅端监听并删除对应缓存

2. 防雪崩策略

   • 随机过期时间（避免同时失效）
   • 互斥锁防止缓存击穿

     async function getWithMutex(key, fetchData, ttl) {
       const value = await redis.get(key);
       if (value) return value;
       
       const lockKey = `${key}_lock`;
       if (await redis.set(lockKey, 1, 'PX', 1000, 'NX')) {
         try {
           const data = await fetchData();
           await redis.set(key, data, 'PX', ttl);
           return data;
         } finally {
           await redis.del(lockKey);
         }
       } else {
         await sleep(50);
         return getWithMutex(key, fetchData, ttl);
       }
     }

3. 监控指标

   • 缓存命中率（Hit Ratio）
   • 缓存大小和内存使用量
   • 缓存操作延迟

---

四、Node.js 推荐工具链

1. 内存缓存：node-cache、lru-cache
2. 分布式缓存：ioredis（Redis）、memcached
3. HTTP 缓存：apicache 中间件
4. 监控工具：RedisInsight、Prometheus + Grafana

---

通过合理应用缓存技术，可以在以下方面获得显著收益：

• API 响应时间降低 50%-90%
• 数据库负载减少 60% 以上
• 系统横向扩展能力提升
• 应对突发流量的弹性增强

实际应用中需要根据数据特性（读写比例、一致性要求）选择合适的缓存策略，并配合监控系统持续优化。