【Mybatis系列】从源码角度深度理解Mybatis的缓存特性

摘要：一级缓存介绍及相关配置。在这个章节，我们学习如何使用的一级缓存。一级缓存实验配置完毕后，通过实验的方式了解一级缓存的效果。源码分析了解具体的工作流程后，我们队查询相关的核心类和一级缓存的源码进行走读。

我，后端Java工程师，现在美团点评工作。
爱健身，爱技术，也喜欢写点文字。
个人网站: http://kailuncen.me
公众号: KailunTalk (凯伦说)

本文主要涉及以下三点。

Mybatis是什么。

Mybatis一级和二级缓存如何配置使用。

Mybatis一级和二级缓存的工作流程及源码分析。

本次分析中涉及到的代码和数据库表均放在Github上，地址: mybatis-cache-demo。

为达到以上三个目的，本文按照以下顺序展开。

Mybatis的基础概念。

一级缓存介绍及相关配置。

一级缓存工作流程及源码分析。

一级缓存总结。

二级缓存介绍及相关配置。

二级缓存源码分析。

二级缓存总结。

全文总结。

本章节会对Mybatis进行大体的介绍，分为官方定义和核心组件介绍。
首先是Mybatis官方定义，如下所示。

MyBatis是支持定制化SQL、存储过程以及高级映射的优秀的持久层框架。MyBatis避免了几乎所有的JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集。MyBatis可以对配置和原生Map使用简单的XML或注解，将接口和Java 的POJOs(Plain Old Java Objects,普通的 Java对象)映射成数据库中的记录。

其次是Mybatis的几个核心概念。

SqlSession : 代表和数据库的一次会话，向用户提供了操作数据库的方法。

MappedStatement: 代表要发往数据库执行的指令，可以理解为是Sql的抽象表示。

Executor: 具体用来和数据库交互的执行器，接受MappedStatement作为参数。

映射接口: 在接口中会要执行的Sql用一个方法来表示，具体的Sql写在映射文件中。

映射文件: 可以理解为是Mybatis编写Sql的地方，通常来说每一张单表都会对应着一个映射文件，在该文件中会定义Sql语句入参和出参的形式。

下图就是一个针对Student表操作的接口文件StudentMapper，在StudentMapper中，我们可以若干方法，这个方法背后就是代表着要执行的Sql的意义。

通常也可以把涉及多表查询的方法定义在StudentMapper中，如果查询的主体仍然是Student表的信息。也可以将涉及多表查询的语句多带带抽出一个独立的接口文件。
在定义完接口文件后，我们会开发一个Sql映射文件，主要由mapper元素和select|insert|update|delete元素构成，如下图所示。

mapper元素代表这个文件是一个映射文件，使用namespace和具体的映射接口绑定起来，namespace的值就是这个接口的全限定类名。select|insert|update|delete代表的是Sql语句，映射接口中定义的每一个方法也会和映射文件中的语句通过id的方式绑定起来，方法名就是语句的id，同时会定义语句的入参和出参，用于完成和Java对象之间的转换。

在Mybatis初始化的时候，每一个语句都会使用对应的MappedStatement代表，使用namespace+语句本身的id来代表这个语句。如下代码所示，使用mapper.StudentMapper.getStudentById代表其对应的Sql。

SELECT id,name,age FROM student WHERE id = #{id}

在Mybatis执行时，会进入对应接口的方法，通过类名加上方法名的组合生成id，找到需要的MappedStatement，交给执行器使用。
至此，Mybatis的基础概念介绍完毕。

在系统代码的运行中，我们可能会在一个数据库会话中，执行多次查询条件完全相同的Sql，鉴于日常应用的大部分场景都是读多写少，这重复的查询会带来一定的网络开销，同时select查询的量比较大的话，对数据库的性能是有比较大的影响的。

如果是Mysql数据库的话，在服务端和Jdbc端都开启预编译支持的话，可以在本地JVM端缓存Statement,可以在Mysql服务端直接执行Sql，省去编译Sql的步骤，但也无法避免和数据库之间的重复交互。关于Jdbc和Mysql预编译缓存的事情，可以看我的这篇博客JDBC和Mysql那些事。

Mybatis提供了一级缓存的方案来优化在数据库会话间重复查询的问题。实现的方式是每一个SqlSession中都持有了自己的缓存，一种是SESSION级别，即在一个Mybatis会话中执行的所有语句，都会共享这一个缓存。一种是STATEMENT级别，可以理解为缓存只对当前执行的这一个statement有效。如果用一张图来代表一级查询的查询过程的话，可以用下图表示。

每一个SqlSession中持有了自己的Executor，每一个Executor中有一个Local Cache。当用户发起查询时，Mybatis会根据当前执行的MappedStatement生成一个key，去Local Cache中查询，如果缓存命中的话，返回。如果缓存没有命中的话，则写入Local Cache，最后返回结果给用户。

上文介绍了一级缓存的实现方式，解决了什么问题。在这个章节，我们学习如何使用Mybatis的一级缓存。只需要在Mybatis的配置文件中，添加如下语句，就可以使用一级缓存。共有两个选项，SESSION或者STATEMENT，默认是SESSION级别。

配置完毕后，通过实验的方式了解Mybatis一级缓存的效果。每一个单元测试后都请恢复被修改的数据。
首先是创建了一个示例表student,为其创建了对应的POJO类和增改的方法，具体可以在entity包和Mapper包中查看。

CREATE TABLE `student` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(200) COLLATE utf8_bin DEFAULT NULL,
  `age` tinyint(3) unsigned DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=4 DEFAULT CHARSET=utf8 COLLATE=utf8_bin;

在以下实验中，id为1的学生名称是凯伦。

实验1

开启一级缓存，范围为会话级别，调用三次getStudentById，代码如下所示:

public void getStudentById() throws Exception {
        SqlSession sqlSession = factory.openSession(true); // 自动提交事务
        StudentMapper studentMapper = sqlSession.getMapper(StudentMapper.class);
        System.out.println(studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println(studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println(studentMapper.getStudentById(1));
    }

执行结果:

我们可以看到，只有第一次真正查询了数据库,后续的查询使用了一级缓存。

实验2

在这次的试验中，我们增加了对数据库的修改操作，验证在一次数据库会话中，对数据库发生了修改操作，一级缓存是否会失效。

@Test
public void addStudent() throws Exception {
        SqlSession sqlSession = factory.openSession(true); // 自动提交事务
        StudentMapper studentMapper = sqlSession.getMapper(StudentMapper.class);
        System.out.println(studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println("增加了" + studentMapper.addStudent(buildStudent()) + "个学生");
        System.out.println(studentMapper.getStudentById(1));
        sqlSession.close();
}

执行结果:

我们可以看到，在修改操作后执行的相同查询，查询了数据库，一级缓存失效。

实验3

开启两个SqlSession，在sqlSession1中查询数据，使一级缓存生效，在sqlSession2中更新数据库，验证一级缓存只在数据库会话内部共享。

@Test
public void testLocalCacheScope() throws Exception {
        SqlSession sqlSession1 = factory.openSession(true); 
        SqlSession sqlSession2 = factory.openSession(true); 

       StudentMapper studentMapper = sqlSession1.getMapper(StudentMapper.class);
       StudentMapper studentMapper2 = sqlSession2.getMapper(StudentMapper.class);

        System.out.println("studentMapper读取数据: " + studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println("studentMapper读取数据: " + studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println("studentMapper2更新了" + studentMapper2.updateStudentName("小岑",1) + "个学生的数据");
        System.out.println("studentMapper读取数据: " + studentMapper.getStudentById(1));
        System.out.println("studentMapper2读取数据: " + studentMapper2.getStudentById(1));
}

我们可以看到，sqlSession2更新了id为1的学生的姓名，从凯伦改为了小岑，但session1之后的查询中，id为1的学生的名字还是凯伦，出现了脏数据，也证明了我们之前就得到的结论，一级缓存只存在于只在数据库会话内部共享。

这一章节主要从一级缓存的工作流程和源码层面对一级缓存进行学习。

工作流程

根据一级缓存的工作流程，我们绘制出一级缓存执行的时序图，如下图所示。

主要步骤如下:

对于某个Select Statement，根据该Statement生成key。

判断在Local Cache中,该key是否用对应的数据存在。

如果命中，则跳过查询数据库，继续往下走。

如果没命中：
4.1 去数据库中查询数据，得到查询结果；
4.2 将key和查询到的结果作为key和value，放入Local Cache中。
4.3. 将查询结果返回；

判断缓存级别是否为STATEMENT级别，如果是的话，清空本地缓存。

源码分析

了解具体的工作流程后，我们队Mybatis查询相关的核心类和一级缓存的源码进行走读。这对于之后学习二级缓存时也有帮助。
SqlSession: 对外提供了用户和数据库之间交互需要的所有方法，隐藏了底层的细节。它的一个默认实现类是DefaultSqlSession。

Executor: SqlSession向用户提供操作数据库的方法，但和数据库操作有关的职责都会委托给Executor。

如下图所示，Executor有若干个实现类，为Executor赋予了不同的能力，大家可以根据类名，自行私下学习每个类的基本作用。

在一级缓存章节，我们主要学习BaseExecutor。
BaseExecutor: BaseExecutor是一个实现了Executor接口的抽象类，定义若干抽象方法，在执行的时候，把具体的操作委托给子类进行执行。

protected abstract int doUpdate(MappedStatement ms, Object parameter) throws SQLException;
protected abstract List doFlushStatements(boolean isRollback) throws SQLException;
protected abstract  List doQuery(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler, BoundSql boundSql) throws SQLException;
protected abstract  Cursor doQueryCursor(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, BoundSql boundSql) throws SQLException;

在一级缓存的介绍中，我们提到对Local Cache的查询和写入是在Executor内部完成的。在阅读BaseExecutor的代码后，我们也发现Local Cache就是它内部的一个成员变量，如下代码所示。

public abstract class BaseExecutor implements Executor {
protected ConcurrentLinkedQueue deferredLoads;
protected PerpetualCache localCache;

Cache: Mybatis中的Cache接口，提供了和缓存相关的最基本的操作，有若干个实现类，使用装饰器模式互相组装，提供丰富的操控缓存的能力。

BaseExecutor成员变量之一的PerpetualCache，就是对Cache接口最基本的实现，其实现非常的简内部持有了hashmap，对一级缓存的操作其实就是对这个hashmap的操作。如下代码所示。

public class PerpetualCache implements Cache {
  private String id;
  private Map cache = new HashMap();

在阅读相关核心类代码后，从源代码层面对一级缓存工作中涉及到的相关代码，出于篇幅的考虑，对源码做适当删减，读者朋友可以结合本文，后续进行更详细的学习。
为了执行和数据库的交互，首先会通过DefaultSqlSessionFactory开启一个SqlSession，在创建SqlSession的过程中，会通过Configuration类创建一个全新的Executor，作为DefaultSqlSession构造函数的参数，代码如下所示。

private SqlSession openSessionFromDataSource(ExecutorType execType, TransactionIsolationLevel level, boolean autoCommit) {
      ............
    final Executor executor = configuration.newExecutor(tx, execType);     
    return new DefaultSqlSession(configuration, executor, autoCommit);
}

如果用户不进行制定的话，Configuration在创建Executor时，默认创建的类型就是SimpleExecutor,它是一个简单的执行类，只是单纯执行Sql。以下是具体用来创建的代码。

public Executor newExecutor(Transaction transaction, ExecutorType executorType) {
    executorType = executorType == null ? defaultExecutorType : executorType;
    executorType = executorType == null ? ExecutorType.SIMPLE : executorType;
    Executor executor;
    if (ExecutorType.BATCH == executorType) {
      executor = new BatchExecutor(this, transaction);
    } else if (ExecutorType.REUSE == executorType) {
      executor = new ReuseExecutor(this, transaction);
    } else {
      executor = new SimpleExecutor(this, transaction);
    }
    // 尤其可以注意这里，如果二级缓存开关开启的话，是使用CahingExecutor装饰BaseExecutor的子类
    if (cacheEnabled) {
      executor = new CachingExecutor(executor);                      
    }
    executor = (Executor) interceptorChain.pluginAll(executor);
    return executor;
}

在SqlSession创建完毕后，根据Statment的不同类型，会进入SqlSession的不同方法中，如果是Select语句的话，最后会执行到SqlSession的selectList，代码如下所示。

@Override
public  List selectList(String statement, Object parameter, RowBounds rowBounds) {
      MappedStatement ms = configuration.getMappedStatement(statement);
      return executor.query(ms, wrapCollection(parameter), rowBounds, Executor.NO_RESULT_HANDLER);
}

在上文的代码中，SqlSession把具体的查询职责委托给了Executor。如果只开启了一级缓存的话，首先会进入BaseExecutor的query方法。代码如下所示。

@Override
public  List query(MappedStatement ms, Object parameter, RowBounds rowBounds, ResultHandler resultHandler) throws SQLException {
    BoundSql boundSql = ms.getBoundSql(parameter);
    CacheKey key = createCacheKey(ms, parameter, rowBounds, boundSql);
    return query(ms, parameter, rowBounds, resultHandler, key, boundSql);
}

在上述代码中，会先根据传入的参数生成CacheKey，进入该方法查看CacheKey是如何生成的，代码如下所示。

CacheKey cacheKey = new CacheKey();
cacheKey.update(ms.getId());
cacheKey.update(rowBounds.getOffset());
cacheKey.update(rowBounds.getLimit());
cacheKey.update(boundSql.getSql());
//后面是update了sql中带的参数
cacheKey.update(value);

在上述的代码中，我们可以看到它将MappedStatement的Id、sql的offset、Sql的limit、Sql本身以及Sql中的参数传入了CacheKey这个类，最终生成了CacheKey。我们看一下这个类的结构。

private static final int DEFAULT_MULTIPLYER = 37;
private static final int DEFAULT_HASHCODE = 17;

private int multiplier;
private int hashcode;
private long checksum;
private int count;
private List