.NET性能优化-使用内存+磁盘混合缓存

我们回顾一下上一篇文章中的内容，有一个朋友问我这样一个问题：

我的业务依赖一些数据，因为数据库访问慢，我把它放在Redis里面，不过还是太慢了，有什么其它的方案吗？

其实这个问题比较简单的是吧？Redis其实属于网络存储，我对照下面的这个表格，可以很容易的得出结论，既然网络存储的速度慢，那我们就可以使用内存RAM存储，把放Redis里面的数据给放内存里面就好了。

操作	速度
执行指令	1/1,000,000,000 秒 = 1 纳秒
从一级缓存读取数据	0.5 纳秒
分支预测失败	5 纳秒
从二级缓存读取数据	7 纳秒
使用Mutex加锁和解锁	25 纳秒
从主存(RAM内存)中读取数据	100 纳秒
在1Gbps速率的网络上发送2Kbyte的数据	20,000 纳秒
从内存中读取1MB的数据	250,000 纳秒
磁头移动到新的位置(代指机械硬盘)	8,000,000 纳秒
从磁盘中读取1MB的数据	20,000,000 纳秒
发送一个数据包从美国到欧洲然后回来	150 毫秒 = 150,000,000 纳秒

提出这个方案以后，接下来就遇到了另外一个问题：

但是数据比我应用的内存大，这怎么办呢？

在上篇文章中，我们提到了使用FASTER作为内存+磁盘混合缓存的方案，但是由于FASTER的API比较难使用，另外在纯内存场景中表现不如ConcurrentDictionary，所以最后得出的结论也是仅供参考。

经过一段时间的研究，笔者实现了一个基于微软FasterKv封装的进程内混合缓存库(内存+磁盘)，它有着更加易用的API，接下来就和大家讨论讨论它。

FasterKvCache架构

这里需要简单的说一说FasterKvCache的架构，它核心使用的FasterKv，所以架构实际上和FasterKv一致，其原理比较复杂，所以笔者简化了原理图，大概就如下所示:

FasterKv的热数据会在内存中，而全量的数据会持久化在磁盘中。这中间有一些缓存淘汰算法，所以大家看到这张图就能明白FasterKvCache适用和不适用哪些场景了。

如何使用它

笔者之前给EasyCaching提交了FasterKv的实现，但是由于有一些EasyCaching的高级功能在FasterKv上目前无法高性能的实现，所以单独创建了这个库，提供高性能和最基本的API实现；如果大家已经使用了EasyCaching，那么可以直接使用EasyCaching.FasterKv这个NuGet包。

如果使用需要FasterKvCache的话，只需要安装Nuget包，Nuget包不同的功能如下所示，其中序列化包可以只安装自己需要的即可。

软件包名	版本	备注
FasterKv.Cache.Core	1.0.0-rc1	缓存核心包，包含FasterKvCache主要的API
FasterKv.Cache.MessagePack	1.0.0-rc1	基于MessagePack的磁盘序列化包，它具有着非常好的性能，但是需要注意它稍微有一点使用门槛，大家可以看它的文档。
FasterKv.Cache.SystemTextJson	1.0.0-rc1	基于System.Text.Json的磁盘序列化包，它是.NET平台上性能最好JSON序列化封装，但是比MessagePack差。不过它易用性非常好，无需对缓存实体进行单独配置。

使用

直接使用

我们可以直接通过new FasterKvCache(...)的方式使用它，目前它只支持基本的三种操作Get、Set、Delete。为了方便使用和性能的考虑，我们将FasterKvCache分为两种API风格，一种是通用对象风格，一种是泛型风格。

• 通用对象：直接使用new FasterKvCache(...)创建，可以存放任意类型的Value。它底层使用object类型存储，所以内存缓冲内访问值类型对象会有装箱和拆箱的开销。
• 泛型：需要使用new FasterKvCache<T>(...)创建，只能存放T类型的Value。它底层使用T类型存储，所以内存缓冲内不会有任何开销。

当然如果内存缓冲不够，对应的Value被淘汰到磁盘上，那么同样都会有读写磁盘、序列化和反序列化开销。

通用对象版本

代码如下所示，同一个cache实例可以添加任意类型：

using FasterKv.Cache.Core;
using FasterKv.Cache.Core.Configurations;
using FasterKv.Cache.MessagePack;

// create a FasterKvCache
var cache = new FasterKv.Cache.Core.FasterKvCache("MyCache",
    new DefaultSystemClock(),
    new FasterKvCacheOptions(),
    new IFasterKvCacheSerializer[]
    {
        new MessagePackFasterKvCacheSerializer
        {
            Name = "MyCache"
        }
    },
    null);

var key = Guid.NewGuid().ToString("N");

// sync 
// set key and value with expiry time
cache.Set(key, "my cache sync", TimeSpan.FromMinutes(5));

// get
var result = cache.Get<string>(key);
Console.WriteLine(result);

// delete
cache.Delete(key);

// async
// set
await cache.SetAsync(key, "my cache async");

// get
result = await cache.GetAsync<string>(key);
Console.WriteLine(result);

// delete
await cache.DeleteAsync(key);

// set other type object
cache.Set(key, new DateTime(2022,2,22));
Console.WriteLine(cache.Get<DateTime>(key));

输出结果如下所示：

my cache sync
my cache async
2022/2/22 0:00:00

泛型版本

泛型版本的话性能最好，但是它只允许添加一个类型，否则代码将编译不通过：

// create a FasterKvCache<T> 
// only set T type value
var cache = new FasterKvCache<string>("MyTCache",
    new DefaultSystemClock(),
    new FasterKvCacheOptions(),
    new IFasterKvCacheSerializer[]
    {
        new MessagePackFasterKvCacheSerializer
        {
            Name = "MyTCache"
        }
    },
    null);

Microsoft.Extensions.DependencyInjection

当然，我们也可以直接使用依赖注入的方式使用它，用起来也非常简单。按照通用和泛型版本的区别，我们使用不同的扩展方法即可：

var services = new ServiceCollection();
// use AddFasterKvCache
services.AddFasterKvCache(options =>
{
    // use MessagePack serializer
    options.UseMessagePackSerializer();
}, "MyKvCache");

var provider = services.BuildServiceProvider();

// get instance do something
var cache = provider.GetService<FasterKvCache>();

泛型版本需要调用相应的AddFasterKvCache<T>方法：

var services = new ServiceCollection();
// use AddFasterKvCache<string>
services.AddFasterKvCache<string>(options =>
{
    // use MessagePack serializer
    options.UseMessagePackSerializer();
}, "MyKvCache");

var provider = services.BuildServiceProvider();

// get instance do something
var cache = provider.GetService<FasterKvCache<string>>();

配置

FasterKvCache构造函数

public FasterKvCache(
    string name,	// 如果存在多个Cache实例，定义一个名称可以隔离序列化等配置和磁盘文件
    ISystemClock systemClock,	// 当前系统时钟，new DefaultSystemClock()即可
    FasterKvCacheOptions? options,	// FasterKvCache的详细配置，详情见下文
    IEnumerable<IFasterKvCacheSerializer>? serializers,	// 序列化器，可以直接使用MessagePack或SystemTextJson序列化器
    ILoggerFactory? loggerFactory)	// 日志工厂 用于记录FasterKv内部的一些日志信息

FasterKvCacheOptions 配置项

对于FasterKvCache，有着和FasterKv差不多的配置项，更详细的信息大家可以看FasterKv-Settings，下方是FasterKvCache的配置：

• IndexCount：FasterKv会维护一个hash索引池，IndexCount就是这个索引池的hash槽数量，一个槽为64bit。需要配置为2的次方。如1024(2的10次方)、 2048(2的11次方)、65536(2的16次方) 、131072(2的17次方)。默认槽数量为131072，占用1024kb的内存。
• MemorySizeBit: FasterKv用来保存Log的内存字节数，配置为2的次方数。默认为24，也就是2的24次方，使用16MB内存。
• PageSizeBit：FasterKv内存页的大小，配置为2的次方数。默认为20，也就是2的20次方，每页大小为1MB内存。
• ReadCacheMemorySizeBit：FasterKv读缓存内存字节数，配置为2的次方数，缓存内的都是热点数据，最好设置为热点数据所占用的内存数量。默认为20，也就是2的20次方，使用16MB内存。
• ReadCachePageSizeBit：FasterKv读缓存内存页的大小，配置为2的次方数。默认为20，也就是2的20次方，每页大小为1MB内存。
• LogPath：FasterKv日志文件的目录，默认会创建两个日志文件，一个以.log结尾，一个以obj.log结尾，分别存放日志信息和Value序列化信息，注意，不要让不同的FasterKvCache使用相同的日志文件，会出现不可预料异常。默认为{当前目录}/FasterKvCache/{进程Id}-HLog/{实例名称}.log。
• SerializerName：Value序列化器名称，需要安装序列化Nuget包，如果没有单独指定Name的情况下，可以使用MessagePack和SystemTextJson。默认无需指定。
• ExpiryKeyScanInterval：由于FasterKv不支持过期删除功能，所以目前的实现是会定期扫描所有的key，将过期的key删除。这里配置的就是扫描间隔。默认为5分钟。
• CustomStore：如果您不想使用自动生成的实例，那么可以自定义的FasterKv实例。默认为null。

所以FasterKvCache所占用的内存数量基本就是(IndexCount*64)+(MemorySize)+ReadCacheMemorySize，当然如果Key的数量过多，那么还有加上OverflowBucketCount * 64。

容量规划

从上面提到的内容大家可以知道，FasterKvCache所占用的内存字节基本就是(IndexCount * 64)+(MemorySize) + ReadCacheMemorySize + (OverflowBucketCount * 64)。磁盘的话就是保存了所有的数据+对象序列化的数据，由于不同的序列化协议有不同的大小，大家可以先进行测试。

内存数据存储到FasterKv存储引擎，每个key都会额外元数据信息，存储空间占用会有一定的放大，建议在磁盘空间选择上，留有适当余量，按实际存储需求的 1.2 - 1.5倍预估。

如果使用内存存储 100GB 的数据，总的访问QPS不到2W，其中80%的数据都很少访问到。那么可以使用 【32GB内存 + 128GB磁盘】 存储，节省了近 70GB 的内存存储，内存成本可以下降50%+。

性能

目前作者还没有时间将FasterKvCache和其它主流的缓存库进行比对，现在只对FasterKvCache、EasyCaching.FasterKv和EasyCaching.Sqlite做的比较。下面是FasterKVCache的配置，总占用约为2MB。

services.AddFasterKvCache<string>(options =>
{
    options.IndexCount = 1024;
    options.MemorySizeBit = 20;
    options.PageSizeBit = 20;
    options.ReadCacheMemorySizeBit = 20;
    options.ReadCachePageSizeBit = 20;
    // use MessagePack serializer
    options.UseMessagePackSerializer();
}, "MyKvCache");

由于作者笔记本性能不够，使用Sqlite无法在短期内完成100W、1W个Key的性能测试，所以我们在默认设置下将数据集大小设置为1000个Key，设置50%的热点Key。进行100%读、100%写和50%读写随机比较。

可以看到无论是读、写还是混合操作FasterKvCache都有着不俗的性能，在8个线程情况下，TPS达到了惊人的1600w/s。

缓存	类型	线程数	Mean(us)	Error(us)	StdDev(us)	Gen0	Gen1	Allocated
fasterKvCache	Read	8	59.95	3.854	2.549	1.5259	7.02	NULL
fasterKvCache	Write	8	63.67	1.032	0.683	0.7935	3.63	NULL
fasterKvCache	Random	4	64.42	1.392	0.921	1.709	8.38	NULL
fasterKvCache	Read	4	64.67	0.628	0.374	2.5635	11.77	NULL
fasterKvCache	Random	8	64.80	3.639	2.166	1.0986	5.33	NULL
fasterKvCache	Write	4	65.57	3.45	2.053	0.9766	4.93	NULL
fasterKv	Read	8	92.15	10.678	7.063	5.7373	-	26.42 KB
fasterKv	Write	4	99.49	2	1.046	10.7422	-	49.84 KB
fasterKv	Write	8	108.50	5.228	3.111	5.6152	-	25.93 KB
fasterKv	Read	4	109.37	1.476	0.772	10.9863	-	50.82 KB
fasterKv	Random	8	119.94	14.175	9.376	5.7373	-	26.18 KB
fasterKv	Random	4	124.31	6.191	4.095	10.7422	-	50.34 KB
fasterKvCache	Read	1	207.77	3.307	1.73	9.2773	43.48	NULL
fasterKvCache	Random	1	208.71	1.832	0.958	6.3477	29.8	NULL
fasterKvCache	Write	1	211.26	1.557	1.03	3.418	16.13	NULL
fasterKv	Write	1	378.60	17.755	11.744	42.4805	-	195.8 KB
fasterKv	Read	1	404.57	17.477	11.56	43.457	-	199.7 KB
fasterKv	Random	1	441.22	14.107	9.331	42.9688	-	197.75 KB
sqlite	Read	8	7450.11	260.279	172.158	54.6875	7.8125	357.78 KB
sqlite	Read	4	14309.94	289.113	172.047	109.375	15.625	718.9 KB
sqlite	Read	1	56973.53	1,774.35	1,173.62	400	100	2872.18 KB
sqlite	Random	8	475535.01	214,015.71	141,558.14	-	-	395.15 KB
sqlite	Random	4	1023524.87	97,993.19	64,816.43	-	-	762.46 KB
sqlite	Write	8	1153950.84	48,271.47	28,725.58	-	-	433.7 KB
sqlite	Write	4	2250382.93	110,262.72	72,931.96	-	-	867.7 KB
sqlite	Write	1	4200783.08	43,941.69	29,064.71	-	-	3462.89 KB
sqlite	Random	1	5383716.10	195,085.96	129,037.28	-	-	2692.09 KB

总结

可以看到FasterKvCache有着不俗的性能，目前也在笔者朋友的项目使用上了，反馈不错，解决了他的缓存问题。由于现在还只是1.0.0-rc1版本，还有很多特性没有实现。可能有一些BUG还存在，欢迎大家试用和反馈问题。

Github开源地址：
https://github.com/InCerryGit/FasterKvCache

参考链接

https://developer.aliyun.com/article/740811