Go缓存设计：HashMap与缓存穿透预防

在Go语言中，设计一个高效的缓存系统需要考虑多个方面，包括数据结构的选择、并发控制、缓存穿透的预防等。下面是一个基于HashMap的缓存设计方案，并附带缓存穿透预防的措施。

1. 数据结构选择

我们选择使用sync.Map作为缓存的数据结构，因为它提供了高效的并发读写能力。sync.Map是Go标准库中的一个线程安全的map实现，适合在并发环境下使用。

import "sync"

type Cache struct {
    store sync.Map
}

2. 缓存读取

缓存读取时，我们尝试从sync.Map中获取数据。如果数据存在，则直接返回；如果不存在，则从数据源（例如数据库）中读取数据，并将其存入缓存。

func (c *Cache) Get(key interface{}) (interface{}, bool) {
    value, ok := c.store.Load(key)
    if ok {
        return value, true
    }
    // 如果缓存不存在，从数据源中读取数据
    value, err := c.loadFromDataSource(key)
    if err != nil {
        return nil, false
    }
    // 将数据存入缓存
    c.store.Store(key, value)
    return value, true
}

3. 缓存写入

缓存写入时，直接将数据存入sync.Map。

func (c *Cache) Set(key, value interface{}) {
    c.store.Store(key, value)
}

4. 缓存删除

缓存删除时，直接从sync.Map中移除数据。

func (c *Cache) Delete(key interface{}) {
    c.store.Delete(key)
}

5. 缓存穿透预防

缓存穿透是指查询一个不存在的数据，由于缓存中没有该数据，所以每次请求都会直接查询数据库，导致数据库压力增大。为了预防缓存穿透，我们可以采用以下几种策略：

布隆过滤器

布隆过滤器是一种空间效率极高的概率型数据结构，用于判断一个元素是否在一个集合中。我们可以使用布隆过滤器来过滤掉不存在的数据。

import "github.com/scylladb/go-set"

type BloomFilter struct {
    set *set.Set
}

func NewBloomFilter() *BloomFilter {
    return &BloomFilter{
        set: set.New(),
    }
}

func (bf *BloomFilter) Add(item interface{}) {
    bf.set.Add(item)
}

func (bf *BloomFilter) Test(item interface{}) bool {
    return bf.set.Contains(item)
}

在缓存读取时，先使用布隆过滤器检查数据是否存在，如果不存在，则直接从数据源中读取数据并返回。

func (c *Cache) GetWithBloomFilter(key interface{}) (interface{}, bool) {
    if bf, exists := c.bloomFilters[key]; exists && bf.Test(key) {
        return c.Get(key)
    }
    // 如果布隆过滤器判断数据不存在，直接从数据源中读取数据
    value, err := c.loadFromDataSource(key)
    if err != nil {
        return nil, false
    }
    // 将数据存入缓存和布隆过滤器
    c.store.Store(key, value)
    if _, exists := c.bloomFilters[key]; !exists {
        c.bloomFilters[key] = NewBloomFilter()
    }
    c.bloomFilters[key].Add(key)
    return value, true
}

缓存空对象

对于不存在的数据，我们可以将其缓存为一个空对象，这样可以避免每次都查询数据库。

const emptyValue = "empty"

func (c *Cache) Get(key interface{}) (interface{}, bool) {
    value, ok := c.store.Load(key)
    if ok {
        return value, true
    }
    // 如果缓存不存在，从数据源中读取数据
    value, err := c.loadFromDataSource(key)
    if err != nil {
        // 将空对象存入缓存
        c.store.Store(key, emptyValue)
        return emptyValue, true
    }
    // 将数据存入缓存
    c.store.Store(key, value)
    return value, true
}

6. 总结

以上是一个基于sync.Map的缓存设计方案，并附带了缓存穿透预防的措施，包括布隆过滤器和缓存空对象。通过这些措施，可以提高缓存的效率和安全性。