一种线程安全的缓存工具实现方式
前言在多线程环境下，缓存是一个常见的性能优化手段。然而，实现一个线程安全的缓存并不容易，尤其是在高并发场景下，如何避免重复计算、保证数据一致性是一个挑战。
最近在读《Java并发编程实战》时，书中提到了一种基于 ConcurrentHashMap 和 FutureTask 的线程安全缓存实现方式，今天就来分享记录一下。
实现背景
在高并发场景中，缓存的核心作用是避免重复计算。比如，某个计算任务非常耗时，如果多个线程同时请求相同的数据，我们希望只计算一次，后续请求直接使用缓存结果。
然而，实现这样的缓存工具需要考虑以下几个问题：
线程安全：多个线程可能同时访问缓存，如何避免竞态条件？
避免重复计算：如何确保相同的计算任务只执行一次？
异常处理：如果计算任务抛出异常，如何清理缓存并通知调用方？
实现代码
public interface Computable<A, V> { V compute(A arg) throws InterruptedException;}import java.util.Map;import java.util.concurrent.*;public class CacheUtils<A, V> implements Computable<A, V> { private final Map<A, Future<V>> cache = new ConcurrentHashMap<>(); private final Computable<A, V> computable; public CacheUtils(Computable<A, V> computable) { this.computable = computable; } @Override public V compute(A arg) throws InterruptedException { while (true) { Future<V> future = cache.get(arg); if (future == null) { Callable<V> eval = () -> computable.compute(arg); FutureTask<V> futureTask = new FutureTask<>(eval); future = cache.putIfAbsent(arg, futureTask); if (future == null) { future = futureTask; futureTask.run(); } } try { return future.get(); } catch (CancellationException e) { // 如果任务被取消，移除缓存中的 Future cache.remove(arg, future); } catch (ExecutionException e) { // 如果计算任务抛出异常，移除缓存中的 Future 并抛出异常 cache.remove(arg, future); throw new RuntimeException("Computation failed for argument: " + arg, e.getCause()); } } }}实现思路说明
使用 ConcurrentHashMap 中 putIfAbsent 方法来保证，同一时刻只能有一个线程可以将 FutureTask 放入缓存，从而避免相同任务的重复计算；当计算任务发生异常时，可以及时抛出错误/取消缓存结果。
应用场景
[*]该算法没有缓存失效机制，所以只适用于参数固定，结果固定的场景。
[*]算法使用的 FutureTask 异步机制，适用于计算结果耗时的操作。
下面举一个，计算阶乘的例子（可以使用备忘录进行优化，此处为了效果直接进行计算）
public class Calculate implements Computable<Integer, Integer> { @Override public Integer compute(Integer arg) { // 模拟复杂计算情况 if (arg == 0 || arg == 1) { return 1; } return arg * compute(arg - 1); }}public class TestApp { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CacheUtils<Integer, Integer> cacheUtils = new CacheUtils<>(new Calculate()); StopWatch stopWatch = new StopWatch(); stopWatch.start(); Integer temp1 = cacheUtils.compute(19); stopWatch.stop(); System.out.printf("首次计算：耗时%s 结果%s%n", stopWatch.getLastTaskTimeMillis(), temp1); stopWatch.start(); Integer temp2 = cacheUtils.compute(19); stopWatch.stop(); System.out.printf("命中缓存：耗时%s 结果%s%n", stopWatch.getLastTaskTimeMillis(), temp2); }}
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