C#.NET MemoryCache 深入解析：本地緩存機制與最佳實踐详情 - c#,.net 唐青楓日志

簡介

在許多應用程序中，緩存是提升性能的常見方法，尤其是在訪問頻繁且不經常變化的數據時。MemoryCache 是 .NET 提供的一個內存緩存實現，它允許在內存中存儲數據，以減少對數據庫、文件系統或其他遠程服務的訪問，進而提升系統響應速度。

MemoryCache 的核心優勢是：

高效：內存操作非常快速，適合用於緩存短期有效的數據。
輕量：它是一個線程安全的緩存系統，且易於在 .NET 應用中配置和使用。
靈活：支持過期時間、優先級設置等多種功能，能夠滿足大多數緩存需求。

核心功能

線程安全
- MemoryCache 是線程安全的，允許多個線程同時訪問緩存中的數據。
過期策略
- 絕對過期：指定一個具體的時間點，緩存項在該時間點後過期。
- 滑動過期：緩存項最後訪問後的指定時間段內過期。
緩存項優先級
- 可以為緩存項設置優先級，允許緩存管理器在內存不足時根據優先級回收緩存項。
回調：
- PostEvictionCallback：緩存項移除時觸發回調。
- CacheEntryOptions：支持自定義過期和移除邏輯。
依賴關係：
- 使用 ChangeToken 支持基於外部信號的緩存失效（如文件更改）。
線程安全：內置併發控制，支持多線程訪問。
DI 集成：通過 IMemoryCache 接口與 ASP.NET Core DI 無縫集成。
數據大小限制
- 可以設置緩存的最大容量，以防止佔用過多內存。
支持絕對過期和滑動過期組合使用
- 能靈活配置緩存失效的時間策略。

核心 API

MemoryCache 主要通過 IMemoryCache 接口操作，位於 Microsoft.Extensions.Caching.Memory 命名空間。核心 API 如下：

接口方法：
- ICacheEntry CreateEntry(object key)：創建緩存項。
- bool TryGetValue(object key, out object value)：嘗試獲取緩存值。
- void Remove(object key)：移除緩存項。
- TItem Get<TItem>(object key)：獲取指定類型的緩存值。
- TItem GetOrCreate<TItem>(object key, Func<ICacheEntry, TItem> factory)：獲取或創建緩存值。
- Task<TItem> GetOrCreateAsync<TItem>(object key, Func<ICacheEntry, Task<TItem>> factory)：異步獲取或創建。
- TItem Set<TItem>(object key, TItem value, MemoryCacheEntryOptions options = null)：設置緩存值。
MemoryCacheEntryOptions：
- DateTimeOffset? AbsoluteExpiration：絕對過期時間。
- TimeSpan? AbsoluteExpirationRelativeToNow：相對當前時間的絕對過期。
- TimeSpan? SlidingExpiration：滑動過期時間。
- CacheItemPriority Priority：緩存項優先級。
- IChangeToken ExpirationTokens：依賴的變更令牌。
- Action<ICacheEntry, EvictionReason, object> PostEvictionCallbacks：移除回調。
- long? Size：緩存項大小（用於大小限制，.NET 6+）。
MemoryCacheOptions：
- TimeSpan ExpirationScanFrequency：過期掃描間隔（默認 1 分鐘）。
- long? SizeLimit：緩存總大小限制（.NET 6+）。
- double CompactionPercentage：內存壓力下壓縮比例（.NET 6+）。

注意：
舊版本.net 使用 System.Runtime.Caching
新版本.net 使用 Microsoft.Extensions.Caching.Memory

API 用法

創建與初始化 `MemoryCache`

using System.Runtime.Caching;

// 創建默認的 MemoryCache 實例
MemoryCache cache = MemoryCache.Default;

// 或者創建帶名稱的實例
MemoryCache customCache = new MemoryCache("MyCache");

添加緩存項

CacheItemPolicy policy = new CacheItemPolicy
{
    AbsoluteExpiration = DateTimeOffset.Now.AddMinutes(10), // 設置絕對過期時間
    SlidingExpiration = TimeSpan.FromMinutes(5),           // 設置滑動過期時間
    Priority = CacheItemPriority.Default,                  // 設置優先級
    RemovedCallback = args => { Console.WriteLine("緩存項已移除"); } // 過期時執行回調
};

cache.Add("key", "value", policy); // 向緩存中添加項

獲取緩存項

var value = cache.Get("key"); // 獲取緩存項
Console.WriteLine(value); // 輸出：value

更新緩存項

cache.Set("key", "newValue", DateTimeOffset.Now.AddMinutes(5)); // 更新緩存項

移除緩存項

cache.Remove("key"); // 移除緩存項

使用 TryGetValue 方法檢查緩存項

object value;
if (cache.TryGetValue("key", out value))
{
    Console.WriteLine(value); // 如果存在，打印緩存值
}
else
{
    Console.WriteLine("緩存項不存在"); // 如果不存在，打印提示
}

獲取所有緩存項（遍歷）

foreach (var item in cache)
{
    Console.WriteLine($"Key: {item.Key}, Value: {item.Value}");
}

自定義緩存實例

// 創建帶自定義配置的緩存
var cacheConfig = new NameValueCollection
{
    {"cacheMemoryLimitMegabytes", "100"}, // 100MB 內存限制
    {"physicalMemoryLimitPercentage", "50"}, // 物理內存50%
    {"pollingInterval", "00:05:00"} // 5分鐘檢查一次
};

var customCache = new MemoryCache("MyCustomCache", cacheConfig);

// 使用自定義緩存
customCache.Set("userData", userProfile, new CacheItemPolicy());

優先級策略

var highPriorityPolicy = new CacheItemPolicy
{
    Priority = CacheItemPriority.NotRemovable // 內存不足時不會被移除
};

var lowPriorityPolicy = new CacheItemPolicy
{
    Priority = CacheItemPriority.Default // 默認優先級
};

ASP.NET Core 中通過 DI 使用 IMemoryCache

using Microsoft.AspNetCore.Mvc;
using Microsoft.Extensions.Caching.Memory;
using System;

[ApiController]
[Route("api/cache")]
public class CacheController : ControllerBase
{
    private readonly IMemoryCache _cache;

    public CacheController(IMemoryCache cache)
    {
        _cache = cache;
    }

    [HttpGet("set")]
    public IActionResult SetCache()
    {
        var key = "myKey";
        var value = $"Data at {DateTime.Now:HH:mm:ss}";
        var options = new MemoryCacheEntryOptions
        {
            AbsoluteExpirationRelativeToNow = TimeSpan.FromMinutes(5),
            SlidingExpiration = TimeSpan.FromSeconds(30)
        };

        _cache.Set(key, value, options);
        return Ok($"Cached: {value}");
    }

    [HttpGet("get")]
    public IActionResult GetCache()
    {
        if (_cache.TryGetValue("myKey", out string value))
            return Ok($"Cached value: {value}");
        return NotFound("Cache miss");
    }
}

註冊服務：

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
builder.Services.AddMemoryCache(); // 註冊 MemoryCache
builder.Services.AddControllers();

緩存依賴（ChangeToken）

基於外部信號失效（如文件更改）：

using Microsoft.AspNetCore.Mvc;
using Microsoft.Extensions.Caching.Memory;
using Microsoft.Extensions.FileProviders;
using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;

[ApiController]
[Route("api/config")]
public class ConfigController : ControllerBase
{
    private readonly IMemoryCache _cache;
    private readonly PhysicalFileProvider _fileProvider;

    public ConfigController(IMemoryCache cache)
    {
        _cache = cache;
        _fileProvider = new PhysicalFileProvider(Directory.GetCurrentDirectory());
    }

    [HttpGet]
    public async Task<IActionResult> GetConfig()
    {
        var cacheKey = "configKey";
        var config = await _cache.GetOrCreateAsync(cacheKey, async entry =>
        {
            var file = _fileProvider.GetFileInfo("config.txt");
            entry.AddExpirationToken(_fileProvider.Watch("config.txt"));
            entry.SlidingExpiration = TimeSpan.FromMinutes(5);
            // 讀取文件
            string content = await File.ReadAllTextAsync(file.PhysicalPath);
            return content;
        });

        return Ok(config);
    }
}

説明：

使用 PhysicalFileProvider.Watch 創建 IChangeToken。
文件更改時緩存失效，重新加載。

性能優化

避免過多緩存數據

設置合理的緩存大小和最大容量，避免 MemoryCache 佔用過多內存。可以通過設置緩存的最大項數或緩存最大內存大小來控制。

var policy = new CacheItemPolicy
{
    AbsoluteExpiration = DateTimeOffset.Now.AddMinutes(10)
};
var cache = new MemoryCache("MyCache", new NameValueCollection
{
    { "CacheMemoryLimitMegabytes", "100" },  // 限制最大內存為 100 MB
    { "PhysicalMemoryLimitPercentage", "80" }, // 限制物理內存佔用為 80%
    { "PollingInterval", "00:01:00" } // 每 1 分鐘檢查一次緩存
});

合理使用過期策略

對於一些短時間有效的數據，建議使用滑動過期（SlidingExpiration），它可以保證數據的最新性。
- 對於長期不變的數據，可以使用絕對過期（AbsoluteExpiration），避免內存被長時間佔用。

避免緩存穿透

在向緩存寫入數據之前，確保數據已經在某些存儲中存在，避免因緩存項缺失導致每次訪問都去請求外部數據庫。
如果緩存為空，可以緩存空值，以防止緩存穿透。

public T GetOrCreate<T>(string key, Func<T> factory, TimeSpan expiration)
{
    if (cache.Get(key) is T result) 
        return result;
    
    // 特殊值標記緩存穿透
    if ("__NULL__".Equals(cache.Get(key)))
        return default;
    
    try
    {
        result = factory();
        if (result == null)
        {
            // 緩存空值避免反覆查詢
            cache.Set(key, "__NULL__", TimeSpan.FromMinutes(5));
            return default;
        }
        
        cache.Set(key, result, expiration);
        return result;
    }
    catch
    {
        // 異常時設置短期空緩存
        cache.Set(key, "__NULL__", TimeSpan.FromMinutes(1));
        throw;
    }
}

合理設置回調函數

使用 RemovedCallback 來處理過期的緩存項，執行資源清理或日誌記錄等操作。

CacheItemPolicy policy = new CacheItemPolicy
{
    RemovedCallback = args =>
    {
        Console.WriteLine($"緩存項 {args.CacheItem.Key} 被移除");
    }
};

定期清理

可以通過 PollingInterval 來定期檢查緩存並進行清理，避免緩存中存放過期數據。

緩存統計監控

// 獲取緩存統計信息
var stats = ((MemoryCache)cache).GetCacheStatistics();

Console.WriteLine($"緩存命中率: {stats.CacheHitRatio:P}");
Console.WriteLine($"總緩存項: {stats.TotalCount}");
Console.WriteLine($"緩存大小: {stats.CacheSizeKB} KB");
Console.WriteLine($"內存限制: {stats.MemoryLimitMB} MB");

優缺點

優點

高性能：進程內緩存，訪問速度快。
輕量簡單：無外部依賴，易於集成。
靈活過期：支持絕對、滑動和依賴失效。
異步支持：GetOrCreateAsync 適合異步加載。
DI 集成：與 ASP.NET Core 無縫結合。
內存管理：.NET 6+ 支持大小限制和壓縮。

缺點

進程內限制：數據不跨進程或實例共享，重啓丟失。
內存佔用：大數據量可能導致內存壓力。
無分佈式支持：不適合多實例部署（需用 Redis）。
手動管理：需顯式設置鍵和過期策略。
有限功能：無高級功能（如標籤、區域緩存）。

常見使用場景

適用場景

數據緩存
- 在 Web 應用中緩存數據庫查詢結果、API 請求結果等，減少數據庫查詢的壓力，提高響應速度。
- 示例：緩存用户信息、商品列表等。
會話存儲
- 使用緩存來存儲用户會話信息，避免每次請求都查詢數據庫。
- 示例：存儲用户的登錄狀態或臨時數據。
頻繁訪問的數據
- 在頻繁讀取但不常更新的數據上使用緩存來提高性能。
- 示例：熱點新聞、熱銷商品、排行榜等。
API 限流
- 用於控制 API 調用頻率，存儲用户請求的時間戳，避免過多的請求對後台服務產生壓力。
- 示例：API 請求次數的緩存，防止暴力請求。
耗時操作結果緩存
- 對於計算成本較高的操作，可以將結果緩存起來，減少重複計算。
- 示例：圖片處理後的結果、文件讀取操作的緩存等。

不適用場景

分佈式系統共享數據
大型數據集（大於內存限制）
需要持久化的數據
嚴格的實時數據一致性要求

與相關技術對比

特性	MemoryCache	HttpRuntime.Cache	IDistributedCache	Redis
存儲位置	內存	內存	分佈式存儲	分佈式
應用範圍	通用	通用	分佈式系統	分佈式
性能	最高	高	中	中高
持久化	❌	❌	✅	✅
過期策略	豐富	豐富	基礎	豐富
集羣支持	❌	❌	✅	✅
.NET Core	✅	❌	✅	✅

總結

MemoryCache 是 .NET 中輕量高效的進程內緩存組件，適合高頻讀取、低更新頻率的場景，如熱點數據、配置或計算結果。它提供靈活的過期策略、回調和依賴失效，支持異步操作和 ASP.NET Core DI。相比 IDistributedCache（如 Redis），它性能更高但限於單實例。

資源和文檔

MSDN 文檔: https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.runtime.c...
緩存模式指南: https://learn.microsoft.com/zh-cn/azure/architecture/patterns...
MemoryCache 源碼: https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Runtime.Caching/src/System/Runtime/Caching/MemoryCache.cs

唐青楓 日志

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