Go语言 JSON 与 Cache 库 调研与选型

JSON 库和 Cache 库如何选？本文聊聊

JSON

基本上从以下两种角度进行分析

1. 性能方面，如是否使用反射；
2. 是否支持 Unmarshal 到 map 或 struct，未涉及灵活性与扩展性方面，下面报告中只考虑最简单的反序列化，不会提及每个库的灵活性，如提供的一些定制化抽取的 API；

相关库

GO 1.14 标准库 JSON大量使用反射获取值，首先 go 的反射本身性能较差，其次频繁分配对象，也会带来内存分配和 GC 的开销；

valyala/fastjson star: 1.4k

1. 通过遍历 json 字符串找到 key 所对应的 value，返回其值 []byte，由业务方自行处理。同时可以返回一个 parse 对象用于多次解析；
2. 只提供了简单的 get 接口，不提供 Unmarshal 到结构体或 map 的接口；

tidwall/gjson star: 9.5k

1. 原理与 fastjson 类似，但不会像 fastjson 一样将解析的内容保存在一个 parse 对象中，后续可以反复的利用，所以当调用 GetMany 想要返回多个值的时候，需要遍历 JSON 串多次，因此效率会比较低；
2. 提供了 get 接口和 Unmarshal 到 map 的接口，但没有提供 Unmarshal 到 struct 的接口；

buger/jsonparser star: 4.4k

1. 原理与 gjson 类似，有一些更灵活的 api；
2. 只提供了简单的 get 接口，不提供 Unmarshal 到结构体或 map 的接口；

json-iterator star: 10.3k

1. 兼容标准库；
2. 其之所以快，一个是尽量减少不必要的内存复制，另一个是减少 reflect 的使用——同一类型的对象，jsoniter 只调用 reflect 解析一次之后即缓存下来。
3. 不过随着 go 版本的迭代，原生 json 库的性能也越来越高，jsonter 的性能优势也越来越窄，但仍有明显优势。

sonic star: 2k

1. 兼容标准库；
2. 通过JIT（即时编译）和SIMD（单指令-多数据）加速；需要 go 1.15 及以上的版本，提供完成的 json 操作的 API，是一个比 json-iterator 更优的选择。
3. 已经在抖音内部大范围使用，且 github 库维护给力，issues 解决积极，安全性有保证。

easyjson star: 3.5k

1. 支持序列化和反序列化;
2. 通过代码生成的方式，达到不使用反射的目的；

相关压测数据可见参考文章；

选型案例

业务场景

1. 需要 Unmarshal map；
2. json 导致的 GC 与 CPU 压力较大；
3. 业务较为重要，需要一个稳定的序列化库；

选型思路

1. easyjson 需要生成代码，丧失了 json 的灵活性，增加维护成本，因此不予考虑；
2. sonic 需要 go 1.15 及以上的版本，且业务场景无 Unmarshal 到结构体的操作，因此暂时不做选择；
3. json-iterator 的优势在于兼容标准库接口，但因为使用到了反射，性能相对较差，且业务场景没有反序列化结构体的场景，因此不予考虑；
4. fastjson、gjson、jsonparser 由于没有用到反射，因此性能要高于 json-iterator。所以着重在这三个中选择；
5. fastjson 实现了 0 分配的开销，但是 star 数较少，不予考虑；
6. gjson 与 jsonparser 类似，速度及内存分配上各擅胜场，灵活性上也各有长处，比较难抉择，但业务场景下不需要使用到其提供的灵活 API，而有 json 序列化到 map 的场景，所以 gjson 会有一些优势，再结合 star 数后选择 gjson；

结论

综上所述，选用 gjson。

参考

• 深入 Go 中各个高性能 JSON 解析库^[1]

• Go 语言原生的 json 包有什么问题？如何更好地处理 JSON 数据？^[2]

Cache

基本上从以下四种角度进行分析

1. GC 方面，是否有针对性优化；
2. 是否需要限制内存大小，如果限制，命中率与淘汰策略如何；
3. TTL 支持程度：全局、单个 key、不支持；
4. 其他特性；

此处因业务场景原因未详细探讨淘汰策略方面，但这是本地缓存中一个较为重要的部分；各 cache 的命中率，可以看Introducing Ristretto: A High-Performance Go Cache^[3]的命中率报告部分；但正如《A large scale analysis of hundreds of in-memory cache clusters at Twitter》论文所提到，Under reasonable cache sizes, FIFO often shows similar performance as LRU, and LRU often exhibits advantages only when the cache size is severely limited. 因此在本地缓存的场景下，淘汰策略的选择对于缓存命中率的影响当较为重要；

相关库

go-cache star: 5.7k

1. 最简单的 cache，可以直接存储指针，下面的部分 Cache 都需要先把对象序列化为 []byte，会引入一定的序列化开销，但可以用高效的序列化库减少开销；
2. 可以对每个 key 设置 TTL；
3. 无淘汰机制；

freecache star: 3.6k

1. 0 GC;
2. 可以对每个 key 设置 TTL；
3. 近 LRU 淘汰；
4. 参考 深入理解Freecache^[4]

bigcache star: 5.4k

1. 0 GC；
2. 只有全局 TTL，不能对每个 key 设置 TTL；
3. 如果超过内存最大值（也可以不设置，内存使用无上限），采用的是 FIFO 策略；
4. 产生 hash 冲突会导致旧值被覆盖；
5. 会在内存中分配大数组用以达到 0 GC 的目的，一定程度上会影响到 GC 频率；
6. 参考 妙到颠毫: bigcache优化技巧^[5]

fastcache star: 1.3k

1. 0 GC；
2. 不支持 TTL；
3. 如果超过设置最大值，底层是 ring buffer，缓存会被覆盖掉， 采用的是 FIFO 策略；
4. 调用 mmap 分配堆外内存，因此不会影响到 gc 频率；

groupcache star: 11k

1. 一个较为复杂的 cache 实现，本质上是个 LRU cache；
2. 是一个lib库形式的进程内的分布式缓存，也可以认为是本地缓存，但不是简单的单机缓存，不过也可以作为单机缓存；
3. 参考 一个有趣的分布式缓存实现 — groupcache
4. 特性如下：单机缓存和基于HTTP的分布式缓存；最近最少访问（LRU，Least Recently Used）缓存策略；使用Golang锁机制防止缓存击穿；使用一致性哈希选择节点以实现负载均衡；使用Protobuf优化节点间二进制通信；

goburrow star: 468

1. Go 中 Guava Cache 的部分实现；
2. 没有对 GC 做优化，内部使用 sync.map；
3. 支持淘汰策略：LRU、Segmented LRU (default)、TinyLFU (experimental)；

ristretto star: 3.6k

1. 在 GC 方面做了少量优化；
2. 可以对每个 key 设置 TTL；
3. 在吞吐方面做了较多优化，使得在复杂的淘汰策略下仍具有较好的吞吐水平；
4. 在命中率方面，具备出色的准入政策和 SampledLFU 驱逐政策，因此高于其他 cache 库；
5. 参考 Introducing Ristretto: A High-Performance Go Cache^[6]

选型案例

业务场景 - Feature 服务

1. key 分钟固定窗口失效，且 key 中自带分钟级时间戳；
2. 内存容量足够，有全局 TTL 即可，不需要额外的淘汰机制；
3. 缓存 Key 数量较多，对 GC 压力较大；
4. Value 是 string，另外可以通过不安全方式无开销转换为 []byte；
5. 业务较为重要，需要一个稳定的 cache 库；

选型思路

1. goburrow、ristretto 两个 cache 的主打的是固定内存情况下的命中率，对 GC 无优化，且 Feature 服务的 Cache 是分钟固定窗口失效，机器内存容量远大于窗口内的缓存 value 之和，因此不需要用到更好的淘汰机制，而且 Feature 服务本次更换 cahce 要解决的是缓存中对象数量太多，导致的 GC 问题，因此不考虑这两种；
2. groupcache 是一个 LRU Cache，且功能较重，Feature 服务只需要一个本地 Cache 库，不需要用到这些特性，因此不考虑这个 Cahce；
3. fastcache 最大的问题是不支持 TTL，这个是 Feature 服务所不能接受的，因此不考虑这个Cahce；
4. go-cache 类似于 Feature 服务中的 beego/cache 库，最简单的 Cache 库，对 GC 无优化，且 Feature 服务的 value 本身就为 string 类型，不会引入序列化开销，且可以通过不安全的方式实现 string 与 []byte 之间 0 开销转换；
5. freecache、bigcache 比较适合 Feature 服务，freecache 的优势在于近 LRU 的淘汰，并且可以对每个 Key 设置 TTL，但 Feature 服务内存空间足够无需进行缓存淘汰，且 key 名中自带分钟级时间戳，key 有效期都为 1min，因此无需使用 freecache；
6. bigcache 相对于 freecache 的优势之一是您不需要提前知道缓存的大小，因为当 bigcache 已满时，它可以为新条目分配额外的内存，而不是像 freecache 当前那样覆盖现有的。摘自：bigcache^[7]

结论

综上所述，bigcache 的序列化开销、无法为每个 key 设置 TTL、缓存淘汰效率差与命中率低等问题 Feature 服务都可以优雅避免，所以 bigcache 最适合作为当前场景下的本地 Cache。

参考资料

[1]

深入 Go 中各个高性能 JSON 解析库: https://www.luozhiyun.com/archives/535

[2]

Go 语言原生的 json 包有什么问题？如何更好地处理 JSON 数据？: https://segmentfault.com/a/1190000039957766

[3]

Introducing Ristretto: A High-Performance Go Cache: https://dgraph.io/blog/post/introducing-ristretto-high-perf-go-cache/

[4]

深入理解Freecache: https://blog.csdn.net/chizhenlian/article/details/108435024

[5]

妙到颠毫: bigcache优化技巧: https://colobu.com/2019/11/18/how-is-the-bigcache-is-fast/

[6]

Introducing Ristretto: A High-Performance Go Cache: https://dgraph.io/blog/post/introducing-ristretto-high-perf-go-cache/

[7]

bigcache: https://github.com/allegro/bigcache/blob/master/README.md

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