200 行 TypeScript 代码实现一个高效缓存库

这两天用到 cacheables 缓存库，觉得挺不错的，和大家分享一下我看完源码的总结。

一、介绍

「cacheables」正如它名字一样，是用来做内存缓存使用，其代码仅仅 200 行左右（不含注释），官方的介绍如下：

一个简单的内存缓存，支持不同的缓存策略，使用 TypeScript 编写优雅的语法。

它的特点：

• 优雅的语法，包装现有 API 调用，节省 API 调用；
• 完全输入的结果。不需要类型转换。
• 支持不同的缓存策略。
• 集成日志：检查 API 调用的时间。
• 使用辅助函数来构建缓存 key。
• 适用于浏览器和 Node.js。
• 没有依赖。
• 进行大范围测试。
• 体积小，gzip 之后 1.43kb。

当我们业务中需要对请求等异步任务做缓存，避免重复请求时，完全可以使用上「cacheables」。

二、上手体验

上手 cacheables很简单，看看下面使用对比：

// 没有使用缓存
fetch("https://some-url.com/api");
// 有使用缓存
cache.cacheable(() => fetch("https://some-url.com/api"), "key");

接下来看下官网提供的缓存请求的使用示例：

1. 安装依赖

npm install cacheables
// 或者
pnpm add cacheables

2. 使用示例

import { Cacheables } from "cacheables";
const apiUrl = "http://localhost:3000/";
// 创建一个新的缓存实例  ①
const cache = new Cacheables({
  logTiming: true,
  log: true,
});
// 模拟异步任务
const wait = (ms: number) => new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, ms));
// 包装一个现有 API 调用 fetch(apiUrl)，并分配一个 key 为 weather
// 下面例子使用 'max-age' 缓存策略，它会在一段时间后缓存失效
// 该方法返回一个完整 Promise，就像' fetch(apiUrl) '一样，可以缓存结果。
const getWeatherData = () =>
  // ②
  cache.cacheable(() => fetch(apiUrl), "weather", {
    cachePolicy: "max-age",
    maxAge: 5000,
  });
const start = async () => {
  // 获取新数据，并添加到缓存中
  const weatherData = await getWeatherData();
  // 3秒之后再执行
  await wait(3000);
  // 缓存新数据，maxAge设置5秒，此时还未过期
  const cachedWeatherData = await getWeatherData();
  // 3秒之后再执行
  await wait(3000);
  // 缓存超过5秒，此时已过期，此时请求的数据将会再缓存起来
  const freshWeatherData = await getWeatherData();
};
start();

上面示例代码我们就实现一个请求缓存的业务，在 maxAge为 5 秒内的重复请求，不会重新发送请求，而是从缓存读取其结果进行返回。

3. API 介绍

官方文档中介绍了很多 API，具体可以从文档中获取，比较常用的如 cache.cacheable()，用来包装一个方法进行缓存。
所有 API 如下：

• new Cacheables(options?): Cacheables
• cache.cacheable(resource, key, options?): Promise<T>
• cache.delete(key: string): void
• cache.clear(): void
• cache.keys(): string[]
• cache.isCached(key: string): boolean
• Cacheables.key(...args: (string | number)[]): string

可以通过下图加深理解：

三、源码分析

克隆 cacheables 项目下来后，可以看到主要逻辑都在 index.ts中，去掉换行和注释，代码量 200 行左右，阅读起来比较简单。
接下来我们按照官方提供的示例，作为主线来阅读源码。

1. 创建缓存实例

示例中第 ① 步中，先通过 new Cacheables()创建一个缓存实例，在源码中Cacheables类的定义如下，这边先删掉多余代码，看下类提供的方法和作用：

export class Cacheables {
  constructor(options?: CacheOptions) {
    this.enabled = options?.enabled ?? true;
    this.log = options?.log ?? false;
    this.logTiming = options?.logTiming ?? false;
  }
  // 使用提供的参数创建一个 key
  static key(): string {}
  // 删除一笔缓存
  delete(): void {}
  // 清除所有缓存
  clear(): void {}
  // 返回指定 key 的缓存对象是否存在，并且有效（即是否超时）
  isCached(key: string): boolean {}
  // 返回所有的缓存 key
  keys(): string[] {}
  // 用来包装方法调用，做缓存
  async cacheable<T>(): Promise<T> {}
}

这样就很直观清楚 cacheables 实例的作用和支持的方法，其 UML 类图如下：

在第 ① 步实例化时，Cacheables 内部构造函数会将入参保存起来，接口定义如下：

const cache = new Cacheables({
  logTiming: true,
  log: true,
});
export type CacheOptions = {
  // 缓存开关
  enabled?: boolean;
  // 启用/禁用缓存命中日志
  log?: boolean;
  // 启用/禁用计时
  logTiming?: boolean;
};

根据参数可以看出，此时我们 Cacheables 实例支持缓存日志和计时功能。

2. 包装缓存方法

第 ② 步中，我们将请求方法包装在 cache.cacheable方法中，实现使用 max-age作为缓存策略，并且有效期 5000 毫秒的缓存：

const getWeatherData = () =>
  cache.cacheable(() => fetch(apiUrl), "weather", {
    cachePolicy: "max-age",
    maxAge: 5000,
  });

其中，cacheable 方法是 Cacheables类上的成员方法，定义如下（移除日志相关代码）：

// 执行缓存设置
async cacheable<T>(
  resource: () => Promise<T>,  // 一个返回Promise的函数
  key: string,  // 缓存的 key
  options?: CacheableOptions, // 缓存策略
): Promise<T> {
  const shouldCache = this.enabled
  // 没有启用缓存，则直接调用传入的函数，并返回调用结果
  if (!shouldCache) {
    return resource()
  }
    // ... 省略日志代码
  const result = await this.#cacheable(resource, key, options) // 核心
    // ... 省略日志代码
  return result
}

其中cacheable 方法接收三个参数：

• resource：需要包装的函数，是一个返回 Promise 的函数，如 () => fetch()；
• key：用来做缓存的 key；
• options：缓存策略的配置选项；

返回 this.#cacheable私有方法执行的结果，this.#cacheable私有方法实现如下：

// 处理缓存，如保存缓存对象等
async #cacheable<T>(
  resource: () => Promise<T>,
  key: string,
  options?: CacheableOptions,
): Promise<T> {
  // 先通过 key 获取缓存对象
  let cacheable = this.#cacheables[key] as Cacheable<T> | undefined
    // 如果不存在该 key 下的缓存对象，则通过 Cacheable 实例化一个新的缓存对象
  // 并保存在该 key 下
  if (!cacheable) {
    cacheable = new Cacheable()
    this.#cacheables[key] = cacheable
  }
    // 调用对应缓存策略
  return await cacheable.touch(resource, options)
}

this.#cacheable私有方法接收的参数与 cacheable方法一样，返回的是 cacheable.touch方法调用的结果。
如果 key 的缓存对象不存在，则通过 Cacheable类创建一个，其 UML 类图如下：

3. 处理缓存策略

上一步中，会通过调用 cacheable.touch方法，来执行对应缓存策略，该方法定义如下：

// 执行缓存策略的方法
async touch(
  resource: () => Promise<T>,
  options?: CacheableOptions,
): Promise<T> {
  if (!this.#initialized) {
    return this.#handlePreInit(resource, options)
  }
  if (!options) {
    return this.#handleCacheOnly()
  }
    // 通过实例化 Cacheables 时候配置的 options 的 cachePolicy 选择对应策略进行处理
  switch (options.cachePolicy) {
    case 'cache-only':
      return this.#handleCacheOnly()
    case 'network-only':
      return this.#handleNetworkOnly(resource)
    case 'stale-while-revalidate':
      return this.#handleSwr(resource)
    case 'max-age': // 本案例使用的类型
      return this.#handleMaxAge(resource, options.maxAge)
    case 'network-only-non-concurrent':
      return this.#handleNetworkOnlyNonConcurrent(resource)
  }
}

touch方法接收两个参数，来自 #cacheable私有方法参数的 resource和 options。
本案例使用的是 max-age缓存策略，所以我们看看对应的 #handleMaxAge私有方法定义（其他的类似）：

// maxAge 缓存策略的处理方法
#handleMaxAge(resource: () => Promise<T>, maxAge: number) {
    // #lastFetch 最后发送时间，在 fetch 时会记录当前时间
    // 如果当前时间大于 #lastFetch + maxAge 时，会非并发调用传入的方法
  if (!this.#lastFetch || Date.now() > this.#lastFetch + maxAge) {
    return this.#fetchNonConcurrent(resource)
  }
  return this.#value // 如果是缓存期间，则直接返回前面缓存的结果
}

当我们第二次执行 getWeatherData() 已经是 6 秒后，已经超过 maxAge设置的 5 秒，所有之后就会缓存失效，重新发请求。

再看下 #fetchNonConcurrent私有方法定义，该方法用来发送非并发的请求：

// 发送非并发请求
async #fetchNonConcurrent(resource: () => Promise<T>): Promise<T> {
    // 非并发情况，如果当前请求还在发送中，则直接执行当前执行中的方法，并返回结果
  if (this.#isFetching(this.#promise)) {
    await this.#promise
    return this.#value
  }
  // 否则直接执行传入的方法
  return this.#fetch(resource)
}

#fetchNonConcurrent私有方法只接收参数 resource，即需要包装的函数。

这边先判断当前是否是【发送中】状态，如果则直接调用 this.#promise，并返回缓存的值，结束调用。否则将 resource 传入 #fetch执行。

#fetch私有方法定义如下：

// 执行请求发送
async #fetch(resource: () => Promise<T>): Promise<T> {
  this.#lastFetch = Date.now()
  this.#promise = resource() // 定义守卫变量，表示当前有任务在执行
  this.#value = await this.#promise
  if (!this.#initialized) this.#initialized = true
  this.#promise = undefined  // 执行完成，清空守卫变量
  return this.#value
}

#fetch 私有方法接收前面的需要包装的函数，并通过对守卫变量赋值，控制任务的执行，在刚开始执行时进行赋值，任务执行完成以后，清空守卫变量。

这也是我们实际业务开发经常用到的方法，比如发请求前，通过一个变量赋值，表示当前有任务执行，不能在发其他请求，在请求结束后，将该变量清空，继续执行其他任务。

完成任务。「cacheables」执行过程大致是这样，接下来我们总结一个通用的缓存方案，便于理解和拓展。

四、通用缓存库设计方案

在 Cacheables 中支持五种缓存策略，上面只介绍其中的 max-age：

这里总结一套通用缓存库设计方案，大致如下图：

该缓存库支持实例化是传入 options参数，将用户传入的 options.key作为 key，调用CachePolicyHandler对象中获取用户指定的缓存策略（Cache Policy）。
然后将用户传入的 options.resource作为实际要执行的方法，通过 CachePlicyHandler()方法传入并执行。

上图中，我们需要定义各种缓存库操作方法（如读取、设置缓存的方法）和各种缓存策略的处理方法。

当然也可以集成如 Logger等辅助工具，方便用户使用和开发。本文就不在赘述，核心还是介绍这个方案。

五、总结

本文与大家分享 cacheables 缓存库源码核心逻辑，其源码逻辑并不复杂，主要便是支持各种缓存策略和对应的处理逻辑。文章最后和大家归纳一种通用缓存库设计方案，大家有兴趣可以自己实战试试，好记性不如烂笔头。
思路最重要，这种思路可以运用在很多场景，大家可以在实际业务中多多练习和总结。

六、还有几点思考

1. 思考读源码的方法

大家都在读源码，讨论源码，那如何读源码？
个人建议：

1. 先确定自己要学源码的部分（如 Vue2 响应式原理、Vue3 Ref 等）；
2. 根据要学的部分，写个简单 demo；
3. 通过 demo 断点进行大致了解；
4. 翻阅源码，详细阅读，因为源码中往往会有注释和示例等。

如果你只是单纯想开始学某个库，可以先阅读 README.md，重点开介绍、特点、使用方法、示例等。抓住其特点、示例进行针对性的源码阅读。
相信这样阅读起来，思路会更清晰。

2. 思考面向接口编程

这个库使用了 TypeScript，通过每个接口定义，我们能很清晰的知道每个类、方法、属性作用。这也是我们需要学习的。
在我们接到需求任务时，可以这样做，你的效率往往会提高很多：

1. 功能分析：对整个需求进行分析，了解需要实现的功能和细节，通过 xmind 等工具进行梳理，避免做着做着，经常返工，并且代码结构混乱。
2. 功能设计：梳理完需求后，可以对每个部分进行设计，如抽取通用方法等，
3. 功能实现：前两步都做好，相信功能实现已经不是什么难度了~

3. 思考这个库的优化点

这个库代码主要集中在 index.ts中，阅读起来还好，当代码量增多后，恐怕阅读体验比较不好。
所以我的建议是：

1. 对代码进行拆分，将一些独立的逻辑拆到单独文件维护，比如每个缓存策略的逻辑，可以单独一个文件，通过统一开发方式开发（如 Plugin），再统一入口文件导入和导出。
2. 可以将 Logger这类内部工具方法改造成支持用户自定义，比如可以使用其他日志工具方法，不一定使用内置 Logger，更加解耦。可以参考插件化架构设计，这样这个库会更加灵活可拓展。