基于PHP的一种Cache回调与自动触发技术

背景

在PHP中使用Memcache或者Redis时，我们一般都会对Memcache和Redis封装一下，单独完成写一个Cache类，作为Memcache活着Redis的代理，且一般为单例模式。在业务代码中，使用Cache类时，操作的基本的示例代码如下

// cache 的 key
$key = ‘this is key‘;
$expire = 60;// 超时时间

// cache 的实例
$cache = Wk_Cache::instance();
$data = $cache->fetch($key);

// 判断data
if(empty($data)){
    // 如果为空，调用db方法
    $db = new Wk_DB();
    $data = $db->getXXX();
    $cache->store($key, $data, $expire);
}
// 处理$data相关数据
return $data;

基本流程为
第一步，先组装查询key，到Cache查询Value，如果存在，继续处理，进入第三步；如果不存在，进入第二步
第二步，根据请求，到DB中，查询相关数据，如果数据存在，把数据放到Cache中
第三步，处理cache或者db中返回的数据

问题

上述流程基本上会出现在每次调用Cache的部分，先cache查询，没有的话调用DB或者第三方接口，获取数据，再次存入Cache，继续数据处理。多次调用，既是一种问题，应该把这种查询方式封装到更底层的方法内。而不是每次重复这样的逻辑，除了封装的问题外，还有其他问题，我们统一列举下

第一：从设计角度来说 重复代码，需要更底层逻辑封装。
第二：key的组装，麻烦繁琐，实际情况，可能会把各种参数组装进去，维护的时候，不敢修改。
第三：设置的expire超时时间，会分散在各处逻辑代码中，最终很难统计Cache缓存时间的情况。
第四：由于要把cache->store方法放到调用db之后执行，如果db后，还有其他逻辑处理，有可能会忘掉把数据放入cache，导致数据。
第五：在高并发系统中，cache失效那一刻，会有大量请求直接穿透到后方，导致DB或者第三方接口压力陡升，响应变慢，进一步影响系统稳定性，这一现象为“Dogpile”。

以上问题中，最简单的为2，3种，对于expire超时时间分散的问题，我们可以通过统一配置文件来解决，比如我们可以创建这样的一个配置文件。

“test"=>array( // namespace，方便分组
             "keys"=> array(
                 “good”=>array(		// 定义的key，此key非最终入cache的key，入key需要和params组装成唯一的key
                     "timeout"=>600,	// 此处定义超时时间
                     "params"=>array("epid"=>1,"num"=>1),	// 通过这种方法，描述需要传递参数，用于组装最终入cache的key
                     "desc"=>"描述"
                     ), 
                "top_test"=>array(	// 定义的key，此key非最终入cache的key，入key需要和params组装成唯一的key
                     "timeout"=>60,	// 此处定义超时时间
                     "ttl"=>10,	// 自动触发时间
                     "params"=>array(‘site_id‘=>1,‘boutique‘=>1,‘offset‘=>1,‘rows‘=> 1,‘uid‘=>1,‘tag_id‘=>1,‘type‘=>1),	// 通过这种方法，描述需要传递参数，用于组装最终入cache的key
                     "desc"=>"描述",
                     "author"=>"ugg",
                     ), 

）
）

如上所示，通过一个算法，我们可以把site_top_feeds和params组装成唯一的入库key，组装后的key，大概是这样site_top_feeds_site_id=12&boutique=1&offset=0&rows=20&uid=&tag_id=0&type=2通过这种方式，我们避免工人自己组装key，从而杜绝第二种问题，同时在这个配置文件中，我们也设置了timeout，这样调用store时，我们可以直接从配置文件中读取，从而避免第三个问题。经过如上修改后，我们的cache方法，也做了适当的调整，调用示例如下。

$siteid = 121;
$seminal = 1;
$tag_id = 12;
$tag_id = 22;

$data =  fetch(‘site_top_feeds’,array(‘site_id‘=>$siteid,‘boutique‘=>$seminal, ‘offset‘=>"0", ‘rows‘ => "20", ‘uid‘ =>null,’tag_id’=>$tag_id,’type‘=>$type),‘feed‘);
if(empty($data)){
// db相关操作
$db = new Wk_DB();
    $data = $db->getTopFeeds($site_id,$seminal,0,20,null,$tag_id,$type);
//  $data数据其他处理逻辑 这里
……

$cache->store(‘site_top_feeds’,$data,array(‘site_id‘=>$siteid,‘boutique‘=>$seminal, ‘offset‘=>"0", ‘rows‘ => "20", ‘uid‘ =>null,’tag_id’=>$tag_id,’type‘=>$type),‘feed‘);
}

通过以上方案，我没看到，timeout超时时间没有了，key的组装也没有了，对于外层调用是透明的了。但是我们通过配置文件可以知道site_top_feeds的timeout是多少，通过封装的算法，知道组装的key是什么样的。
这种方式，并没有解决第一和第四的问题，封装性；要想完成封装性，第一件事情要做的就是回调函数，作为校本语言，PHP并没有完善的函数指针概念，当然要想执行一个函数其实也不需要指针。PHP支持回调函数的方法有两种call_user_func，call_user_func_array。
但是，我做了两个例子，发现上述方法，执行效率比原生方法，相差很多

native:0.0097959041595459s
call_user_func:0.028249025344849s
call_user_func_array:0.046605110168457s

例子代码如下：

$s = microtime(true);
for($i=0; $i< 10000 ; ++$i){
    $a = new a();
    $data = $a->aaa($array, $array, $array);
    $data = a::bbb($array, $array, $array);
}
$e = microtime(true);
echo "native:".($e-$s)."s\n";

$s = microtime(true);
for($i=0; $i< 10000 ; ++$i){
    $a = new a();
    $data = call_user_func(array($a,‘aaa‘),$array,$array,$array);
    $data = call_user_func(array(‘a‘,‘bbb‘),$array,$array,$array);
}
$e = microtime(true);
echo "call_user_func:".($e-$s)."s\n";

$s = microtime(true);
for($i=0; $i< 10000 ; ++$i){
    $a = new a();
    $data = call_user_func_array(array($a,‘aaa‘),array(&$array,&$array,&$array));
    $data = call_user_func_array(array(‘a‘,‘bbb‘),array(&$array,&$array,&$array));
}
$e = microtime(true);
echo “call_user_func_array:".($e-$s)."s\n";

在PHP中，知道一个对象和方法，其实调用方法很简单，比如上面的例子

$a = new a();
$data = $a->aaa($array, $array, $array);
$obj = $a;
$func = ‘aaa’;
$params = array($array,$array,$array);
$obj->$func($params[0],$params[1],$params[2]);	// 通过这种方式可以直接执行

这种方式的执行性能怎么样，经过我们对比测试发现

native:0.0092940330505371s
call_user_func:0.028635025024414s
call_user_func_array:0.048038959503174s
my_callback:0.11308288574219s

在加入大量方法策略验证中，性能损耗比较低，时间消耗仅是原生方法的1.25倍左右，远小于call_user_func的3倍多，call_user_func_array的5倍多，具体封装后的代码

switch(count($params)){
                case 0: $result = $obj->{$func}();break;
                case 1: $result = $obj->{$func}($params[0]);break;
                case 2: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1]);break;
                case 3: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2]);break;
                case 4: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3]);break;
                case 5: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4]);break;
                case 6: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5]);break;
                case 7: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5],$params[6]);break;
                default: $result = call_user_func_array(array($obj, $func), $params);  break;
            }   

在使用这种方法之前，考虑过使用create_function来创建匿名函数，执行函数回调，经过测试create_function只能创造全局函数，不能创建类函数和对象函数，遂放弃。

完成以上准备工作后，就可以使用回调机制了，再次调用的业务代码

….
// 相关变量赋值
$db = new Wk_DB();
$callback[‘obj‘] = $db;
            $callback[‘func‘] = ‘getTopFeeds‘;
            $callback[‘params‘] = array(‘site_id‘=>$siteid,‘boutique‘=>$seminal, ‘offset‘=>"0", ‘rows‘ => "20", ‘uid‘ =>null,‘tag_id‘=>$tag_id,‘type‘=>$type);

            $top_feed_list = $cache->smart_fetch(‘site_top_feeds‘,$callback,‘feed‘);

使用以上方法实现对cache调用的封装，同时保证性能的高效，从而解决第一和第四个问题。

至此已经完成前四个问题，从而实现Cache的封装，并有效的避免了上面提到的第二，第三，第四个问题。但是对于第五个问题，dogpile问题，并没有解决，针对这种问题，最好的方式是在cache即将失效前，有一个进程主动触发db操作，获取DB数据放入Cache中，而其他进程正常从Cache中获取数据（因为此时cache并未失效）；好在有Redis缓存，我们可以使用Redis的两个特性很好解决这个问题，先介绍下这两个接口
TTL方法：以秒为单位，返回给定 key 的剩余生存时间 (TTL, time to live)，当 key 不存在时，返回 -2 。当 key 存在但没有设置剩余生存时间时，返回 -1 。否则，以秒为单位，返回 key 的剩余生存时间。很明显，通过这个方法，我们很容易知道key的还剩下的生存时间，通过这个方法，可以在key过期前做点事情，但是光有这个方法还不行，我们需要确保只有进程执行，而不是所有的进程都做，正好用到下面这个方法。
SETNX方法：将 key 的值设为 value ，当且仅当 key 不存在。若给定的 key 已经存在，则SETNX 不做任何动作。SETNX 是『SET if Not eXists』(如果不存在，则 SET) 的简写。返回值：设置成功，返回 1 。设置失败，返回 0 。通过这个方法，模拟分布式加锁，保证只有一个进程做执行，而其他的进程正常处理。结合以上Redis方法的特性，解决第五种的问题的，实例代码。

…
// 变量初始化
$key = “this is key”;
$expiration = 600; 
$recalculate_at = 100;
$lock_length = 20;
$data = $cache->fetch($key); 
$ttl = $cache->redis->ttl($key); 
if($recalculate_at>=$ttl&&$r->setnx("lock:".$key,true)){ 
$r->expire(“lock:”.$key, $lock_length);
$db = new Wk_DB();
  $data = $db->getXXX();
  $cache->store($key, $expiration, $value);
}

解决方案

好了，关键核心代码如下
1：function回调部分代码

public static function callback($callback){
        // 安全检查
        if(!isset($callback[‘obj‘]) || !isset($callback[‘func‘])
            || !isset($callback[‘params‘]) || !is_array($callback[‘params‘])){
            throw new Exception("CallBack Array Error");
        }   
        // 利用反射，判断对象和函数是否存在
        $obj = $callback[‘obj‘];
        $func = $callback[‘func‘];
        $params = $callback[‘params‘];
        // 方法判断        
        $method = new ReflectionMethod($obj,$func);
        if(!$method){
            throw new Exception("CallBack Obj Not Find func");
        }   

        // 方法属性判断
        if (!($method->isPublic() || $method->isStatic())) {
            throw new Exception("CallBack Obj func Error");
        }   

        // 参数个数判断(不进行逐项检测)
        $paramsNum = $method->getNumberOfParameters();
        if($paramsNum < count($params)){
            throw new Exception("CallBack Obj Params Error");
        }   

        // 6个参数以内，逐个调用,超过6个，直接调用call_user_func_array
        $result = false;
        // 判断静态类方法
        if(!is_object($obj) && $method->isStatic()){
            switch(count($params)){
                case 0: $result = $obj::{$func}();break;
		case 1: $result = $obj::{$func}($params[0]);break;
                case 2: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1]);break;
                case 3: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1],$params[2]);break;
                case 4: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3]);break;
                case 5: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4]);break;
                case 6: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5]);break;
                case 7: $result = $obj::{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5],$params[6]);break;
                default: $result = call_user_func_array(array($obj, $func), $params);  break;
            }
        }else{
            switch(count($params)){
                case 0: $result = $obj->{$func}();break;
                case 1: $result = $obj->{$func}($params[0]);break;
                case 2: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1]);break;
                case 3: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2]);break;
                case 4: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3]);break;
                case 5: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4]);break;
                case 6: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5]);break;
                case 7: $result = $obj->{$func}($params[0],$params[1],$params[2],$params[3],$params[4],$params[5],$params[6]);break;
                default: $result = call_user_func_array(array($obj, $func), $params);  break;
            }
        }

2：自动触发回调机制

public function smart_fetch($key,$callback,$namespace="wk") {
	key = $prefix.$key.$suffix;
        $result = $this->_redis->get($key);

        $bttl = false;
        // ttl状态判断(注意冷启动)
        if(!empty($ttl)){
            // 获得过期时间
            $rttl = $this->_redis->ttl($key);
            if($rttl > 0 && $ttl >= $rttl &&
                $this->_redis->setnx("lock".$key,true)){
                // 设置超时时间(超时时间3秒)
                $this->_redis->expire("lock".$key,3);
                $bttl = true;
            }
        }
	// 如何返回值不存在，调用回调函数，获取数值，并保持数据库
        if($bttl || !$result || (isset($CONFIG[‘FLUSH‘]) && !empty($CONFIG[‘FLUSH‘]))){
            // 重新调整参数
            $callbackparams = array();
            foreach($params as $k=>$value){
                $callbackparams[] = $value;
            }
            $callback[‘params‘] = $callbackparams;
            $result = Wk_Common::callback($callback);
            $expire = $key_config["timeout"];
            // 存储数据
            $status = $this->_redis->setex($key, $expire, $result);
            $result=$this->_redis->get($key);
        }

        // 删除锁
        if($bttl){
            $this->_redis->delete("lock".$key);
        }
        return $result;
    }

至此，我们使用脚本语言特性，通过user_call_func_array方法补齐所有函数回调机制，从而实现对Cache的封装，通过配置文件定义组装key的规则和每个key的超时时间，再通过Redis的ttl和setnx特性，保证只有一个进程执行DB操作，从而很好避免dogpile问题，实现cache自动触发，保证cache持续存在数据，并且有效减少DB的访问次数，提高性能。