Windows Azure Caching - 公有云缓存分析及应用

Article
08/26/2014

在前面PaaS实践3： https://blogs.msdn.com/b/jianwu/archive/2014/08/15/azure-paas-3-azure-caching.aspx 中，使用了Azure提供的缓存服务（Caching）优化云服务的代码逻辑，加快云服务的处理能力。

本文将对现有Windows Azure中的各式缓存服务进行分析和实际应用。

1．认识公有云缓存

Windows Azure Cache是基于内存存储的分布式、易扩展缓存技术，开发者可以使用Windows Azure Cache缓存应用程序依赖的高频率读（写）数据，提高应用程序的响应速度。同时，由于Windows Azure Cache可以提供完全独立于托管服务环境或者本地应用程序的缓存服务，其降低了托管服务规模扩展和缓存部分调整的耦合度，即托管服务的扩容（缩容）操作对其依赖的Windows Azure Cache完全没有影响。对于云端运行的网站项目，使用Windows Azure Cache还可以直接存储网站项目所需要保持的Session、Membership等状态信息。

Windows Azure Cache主要包括两种形式的缓存。

（1）托管式缓存服务（Managed Cache Service）

Managed Cache Service是一种独立于应用程序以外的缓存服务，开发者可以在Managed Cache Service中给自己的应用程序创建一个专用的缓存空间，该缓存空间提供公开的连接地址，开发者可以在托管服务、Azure网站项目甚至本地应用程序中使用创建的缓存空间，使用Managed Cache Service来缓存应用程序经常读写的数据。

（2）辅助角色缓存（In-Role Cache）

In-Role Cache只能应用在托管服务项目中，开发者可以在托管服务项目中添加一个辅助角色（Cache Worker Role）来保存该托管服务中Web（Worker）Role需要缓存的数据，也可以在已有的角色如Web（Worker）Role中添加Cache组件，将已有角色的内存分配一部分出来，供添加的Cache组件使用。在第一种方式中（Dedicated Cache，独立式缓存），Cache组件运行在辅助角色实例中，其独享该辅助角色实例虚拟机上的所有CPU/Memory资源，该虚拟机的状态不会受到同一个托管服务下的Web（Worker）Role虚拟机的影响。在第二种方式中（Co-located Cache，共存式缓存），添加的Cache组件直接运行在Web（Worker）Role虚拟机中，和Web（Worker）Role应用程序共享虚拟机上的CPU/Memory资源，Cache组件的运行也会受到Web（Worker）Role服务的影响。

值得提出的是，Windows Azure Cache中还包含另外一种缓存方式：共享式缓存（Shared Cache），其外部运行模式和托管式缓存服务（Managed Cache Service）极为类似，即开发者在云端创建缓存空间，然后在应用程序中使用该缓存空间。但共享式缓存的后端采用的是SQL Azure存储技术，而不是基于内存的存储，故其实时访问速度不甚理想。Microsoft Azure已经明确宣布共享式缓存将很快下线，故本文对共享式缓存不做实践，如果开发者已经在项目中使用共享式缓存，则可以参照Windows Azure Team官方提供的迁移方案迁移到托管式缓存空间。

2．使用公有云缓存

（1）使用托管式缓存服务（Managed Cache Service）

通过Microsoft Azure管理门户创建缓存空间，如下图所示，单击“NEW”→“DATA SERVICES”→“CACHE”→“QUICK CREATE”。Endpoint将是创建的缓存空间对外的公开地址，如mytestcache.cache.windows.net。目前托管式缓存提供三种服务等级。

„ Basic：缓存空间大小范围为128MB～1GB，增量单位为128MB，包含一个默认的缓存器。
„ Standard：缓存空间大小范围为1 GB～10 GB，增量单位为1GB，除了默认的缓存器之外，开发者还可以添加独立命名的缓存器，最多可有10个缓存器。该级别的缓存提供通知（Notification）功能，开发者可以使用该功能在应用程序中关注所有的缓存操作。
„ Premium：缓存空间大小范围为5 GB～150 GB，增量单位为5GB，开发者也可以添加缓存器，最多可有10个缓存器。该级别的缓存提供通知（Notification）功能和高可用性（High Availability）保障。

本实践选择“Basic”缓存级别，单击“CREATE A NEW CACHE”完成托管式缓存的创建。稍等片刻，即可在Cache主视图中看到刚刚创建的缓存空间，其状态为“Running”。

点击进入所创建的缓存空间，在Dashboard页，可以查看到该缓存空间对外的访问地址，如mytestcache.cache.windows.net，单击底部的“MANAGE KEYS”按钮可以得到使用该缓存空间所需要的密钥。在Monitor页，开发者可以查看该缓存空间在实际工作中的表现和重点性能统计，如缓存空间使用率等。在Scale页，开发者可以调整当前缓存空间的级别（Basic、Standard、Premium）和缓存空间的大小。

在Configure页，开发者可以看到默认的缓存器“default”，如果调整缓存空间的等级至Standard或者Premium，则可以在此处添加更多的自己命名的缓存器。对于每一个缓存器，开发者可以自定义该缓存器的性能指标。

„ Expiry Policy：有效期。Absolute配合Time（MIN）是指缓存对象在初次写入之后，指定时间Time（MIN）后被清除。Sliding配合Time（MIN）是指缓存对象在最后一次被访问之后，指定时间Time（MIN）后被清除。Never配合Time(MIN)= 0是指缓存对象永远不会被自动清除。
„ Eviction：自动清理。打开该选项后，当缓存空间的容积被用完之后，如果还有新的缓存对象进来，缓存空间优先清理已缓存内容中最少被访问（Least Recently Used，LRU）的缓存对象，保证新进来的对象被成功缓存。如果该选项没有打开，则缓存空间的容积被使用完之后，新的写入操作就不会成功。
„ Notifications：该选项仅针对Standard和Premium的缓存空间，打开该选项后，开发者可以在代码中接收缓存空间发回来的通知信息。通知消息由开发者自己定义，包括缓存空间中的添加、更新、删除操作。
„ High Availability：该选项仅针对Premium缓存空间，打开该选项后，Azure后端会给该缓存空间创建备份，保证在主缓存空间发生异常时，继续对外提供服务。

缓存空间创建完毕以后，在本地Visual Studio中创建一个空的ASP.NET Web Role项目，右击网站项目，选择“Manage NuGet Packages…”，如下图所示。

在弹出的NuGet向导中，选择“Online”，搜索Cache，找到Windows Azure Caching安装包后，单击“Install”按钮安装该引用库，如下图所示。

安装完成后，在网站项目中可以看到很多被添加进来的引用和配置更改，点击Web.config，修改dataCacheClients配置节，使用前面创建的缓存空间服务地址和管理密码（均可以从管理门户中得到）。

</securityProperties>

</dataCacheClient>

</dataCacheClients>

修改完成以后保存Web.config文件，双击网站项目中的Default.aspx页面，添加两个按钮和一个文本框（Multiline），并分别双击两个按钮添加两个响应事件。

在“Write into Cache”按钮对应的响应事件中，添加以下代码。

// Cache client configured by settings in application configuration file

DataCacheFactory cacheFactory = new DataCacheFactory();

DataCache cache = cacheFactory.GetDefaultCache();

// Or DataCache cache = cacheFactory.GetCache("MyCache");

// cache can now be used to add and retrieve items

// Add the string "value" to the cache, keyed by "item"

cache.Put("item", DateTime.Now.ToString());

TextBox1.Text = "Successfully add cache object at " + DateTime.Now. ToString();

在“Read Cache”按钮对应的响应事件中，添加以下代码。

DataCache cache = new DataCache("default");

object result = cache.Get("item");

TextBox1.Text += "\r\nRead content from Cache: [" + result.ToString() + "] at " + DateTime.Now.ToString();

并在Default.aspx.cs文件中加入引用的库。

using Microsoft.ApplicationServer.Caching;

完成以后，按F5键调试运行，依次单击“Write into Cache”和“Read Cache”按钮，可以得到如图的效果。

上述代码中用到了Cache API提供的Put、Get函数，除此之外，API还提供了其他函数和有效期控制，如Add、Delete等，开发者可以根据实际需要在线查阅MDSN来准确调用。

托管式缓存除了可以给本地应用程序和云端托管服务提供“高频读写数据”存储支持之外，还有一个很好的用法就是支持存储网站项目的Session信息，如5.1.1节中所讨论的，使用外部存储技术处理网站项目的状态信息可以确保托管服务的“无状态”特性，保障托管服务的服务质量。

同样在上述实践中，仔细观察Web.config，会发现默认的sessionState设置为默认的本地Session Provider，但在添加Caching库安装包后，Web.config中被添加了另外一个被注释的sessionState设置，开发者若希望使用托管式缓存来保存网站的Session信息，只需要注释掉本地的sessionState设置，然后打开添加的sessionState设置即可。

<!--

</providers>

</sessionState>-->

<add name="AFCacheSessionStateProvider"

type="Microsoft.Web.DistributedCache.DistributedCacheSessionStateStoreProvider, Microsoft.Web.DistributedCache"

cacheName="default"

dataCacheClientName="default"

applicationName="AFCacheSessionState"/>

</providers>

</sessionState>

如此改动对于代码中的Session调用没有任何影响，可以在Default.aspx.cs文件的Page_Load函数中加入Session调用代码进行测试。

protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)

{

Session["test"] = DateTime.Now.ToString();

TextBox1.Text = Session["test"].ToString();

}

（2）使用辅助角色缓存（In-Role Cache）

现在，实践在托管服务中使用辅助角色缓存。

以Admin身份运行Visual Studio，通过单击菜单栏中的“New”→“Project”新建一个Cloud项目。在创建过程中，添加一个ASP.NET Web Role角色和一个Cache Worker Role角色，如图。

项目创建完成后，单击Roles下面的“Cache Worker Role”角色，在“Caching”配置栏可以看到，该角色默认被配置为独立式缓存（Dedicated Cache），即运行起来后，该角色实例中仅存在Cache相关的进程，共同一个托管服务下的其他角色调用。并且在默认情况下，Cache Role中只包含一个默认的缓存器“default”，开发者如果需要使用多个缓存器（如同一个托管服务中的网站项目使用缓存器default，同一个托管服务中的Worker Role项目使用自定义缓存器mycache），则可以在此处单击“Add Named Cache”按钮添加，如图所示。

点击网站项目中的Web.config文件，找到dataCacheClients配置节，然后修改identifier的值为Cache Worker Role角色名，如“CacheWorkerRole1”。此配置的作用是让网站项目指定使用Cache Worker Role角色作为缓存。

</dataCacheClient>

</dataCacheClients>

接下来，需要在网站项目中加入使用Azure Caching服务所需要的库引用，同前面的操作一样，右键单击网站项目（如“WebRole1”），从弹出的快捷菜单中选择“Manage NuGet Packages…”，在弹出的NuGet向导中，选择“Online”，搜索Cache，找到Windows Azure Caching安装包后，单击“Install”按钮安装该引用库，如图。

需要注意的是，如果当前计算机环境使用的Azure SDK与该Caching库版本不一致，如SDK为2.0，Caching为2.1，则需要选择安装与SDK版本一致的Caching库引用：单击Visual Studio菜单栏中的“Tools”→“Library Package Manager”→“Package Manager Console”，在弹出的窗口中选择Web Role项目，然后执行Install-Package Microsoft.WindowsAzure.Caching -Version 2.0.0.0命令，如图。

Caching库引用安装完成以后，点击网站项目中的Default.aspx页面，拖入一个Button和一个TextBox，并修改Button上的文本为“Test InRoleCache”，从TextBox的属性中设置其为多行（Multiline），如图所示。

双击“Test InRoleCache”按钮，添加以下代码，该代码中包含两种调用Cache服务的方法，如果自定义了多个缓存器，则在初始化Cache客户端时指定所需要链接的缓存器，如new DataCache("mycache")。

DataCache cache0 = new DataCache("default");

cache0.Add("test", DateTime.Now.ToString());

var factory = new DataCacheFactory();

var cache = factory.GetDefaultCache();

try

{

cache.Remove("testcache");

}

catch (Exception ex)

{

}

cache.Add("testcache", " from " + DateTime.Now.ToString());

this.TextBox1.Text = "Success in adding a cache. " + DateTime.Now.ToString();

this.TextBox1.Text += "\r\nCache data: " + (string)cache.Get("testcache");

并在Default.aspx.cs中加入Caching服务的引用。

using Microsoft.ApplicationServer.Caching;

按F5键调试运行，测试效果如图所示。

使用共存式缓存（Co-located Cache）的方法与独立式缓存非常类似：不需要添加Cache Worker Role角色，只需要含有用户项目的Web Role或者Worker Role即可，选择Roles下面的Web Role或者Worker Role，然后在Caching配置中选择“Co-located Role”，并指定一定的内存给Caching服务使用。此处配置完成之后，Caching库引用的加入、Web.config的修改以及代码的调用与上面介绍的独立式缓存实践完全一样。

3．更多公有云缓存

除了上述实践的托管式缓存和辅助角色缓存之外，Windows Azure目前正在集成第三方的缓存服务，即将推出另一种新式的缓存：Redis Cache，该缓存目前在Azure中国还没有落地，但在Global Windows Azure中已经开始测试使用（Preview），该缓存的最大特性是集成现有第三方缓存服务open source Redis Cache，充分利用Microsoft云平台的优势和第三方缓存服务的专业性，为不同场景下的应用方案提供更安全、高效、稳定的缓存服务。

针对Redis Cache服务，待Redis Cache正式公开适用（GA）时，后续再行分析和讨论。

Redis Cache介绍：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/azure/dn690523.aspx

迁移已有的缓存服务到Redis Cache：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/azure/dn690524.aspx

关于Azure公有云缓存，更多请参考：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/azure/gg278356.aspx

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1．认识公有云缓存

2．使用公有云缓存

3．更多公有云缓存

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