谈谈在.NET Core中使用Redis和Memcached的序列化问题

前言

在使用分布式缓存的时候，都不可避免的要做这样一步操作，将数据序列化后再存储到缓存中去。

序列化这一操作，或许是显式的，或许是隐式的，这个取决于使用的package是否有帮我们做这样一件事。

本文会拿在.NET Core环境下使用Redis和Memcached来当例子说明，其中，Redis主要是用StackExchange.Redis，Memcached主要是用EnyimMemcachedCore。

先来看看一些我们常用的序列化方法。

常见的序列化方法

或许，比较常见的做法就是将一个对象序列化成byte数组，然后用这个数组和缓存服务器进行交互。

关于序列化，业界有不少算法，这些算法在某种意义上表现的结果就是速度和体积这两个问题。

其实当操作分布式缓存的时候，我们对这两个问题其实也是比较看重的！

在同等条件下，序列化和反序列化的速度，可以决定执行的速度是否能快一点。

序列化的结果，也就是我们要往内存里面塞的东西，如果能让其小一点，也是能节省不少宝贵的内存空间。

当然，本文的重点不是去比较那种序列化方法比较牛逼，而是介绍怎么结合缓存去使用，也顺带提一下在使用缓存时，序列化可以考虑的一些点。

下面来看看一些常用的序列化的库：

1. System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary
2. Newtonsoft.Json
3. protobuf-net
4. MessagePack-CSharp
5. ....

在这些库中

System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary是.NET类库中本身就有的，所以想在不依赖第三方的packages时，这是个不错的选择。

Newtonsoft.Json应该不用多说了。

protobuf-net是.NET实现的Protocol Buffers。

MessagePack-CSharp是极快的MessagePack序列化工具。

这几种序列化的库也是笔者平时有所涉及的，还有一些不熟悉的就没列出来了！

在开始之前，我们先定义一个产品类，后面相关的操作都是基于这个类来说明。

public class Product
{
    public int Id { get; set; }

    public string Name { get; set; }
}

下面先来看看Redis的使用。

Redis

在介绍序列化之前，我们需要知道在StackExchange.Redis中，我们要存储的数据都是以RedisValue的形式存在的。并且RedisValue是支持string，byte[]等多种数据类型的。

换句话说就是，在我们使用StackExchange.Redis时，存进Redis的数据需要序列化成RedisValue所支持的类型。

这就是前面说的需要显式的进行序列化的操作。

先来看看.NET类库提供的BinaryFormatter。

序列化的操作

using (var ms = new MemoryStream())
{
    formatter.Serialize(ms, product);                
    db.StringSet("binaryformatter", ms.ToArray(), TimeSpan.FromMinutes(1));
}

反序列化的操作

var value = db.StringGet("binaryformatter");

using (var ms = new MemoryStream(value))
{
    var desValue = (Product)(new BinaryFormatter().Deserialize(ms));
    Console.WriteLine($"{desValue.Id}-{desValue.Name}");
}

写起来还是挺简单的，但是这个时候运行代码会提示下面的错误！

说是我们的Product类没有标记Serializable。下面就是在Product类加上[Serializable]。

再次运行，已经能成功了。

再来看看Newtonsoft.Json

序列化的操作

using (var ms = new MemoryStream())
{
    using (var sr = new StreamWriter(ms, Encoding.UTF8))
    using (var jtr = new JsonTextWriter(sr))
    {
        jsonSerializer.Serialize(jtr, product);
    }                
    db.StringSet("json", ms.ToArray(), TimeSpan.FromMinutes(1));
}

反序列化的操作

var bytes = db.StringGet("json");

using (var ms = new MemoryStream(bytes))
using (var sr = new StreamReader(ms, Encoding.UTF8))
using (var jtr = new JsonTextReader(sr))
{
    var desValue = jsonSerializer.Deserialize<Product>(jtr);
    Console.WriteLine($"{desValue.Id}-{desValue.Name}");
}

由于Newtonsoft.Json对我们要进行序列化的类有没有加上Serializable并没有什么强制性的要求，所以去掉或保留都可以。

运行起来是比较顺利的。

当然，也可以用下面的方式来处理的：

var objStr = JsonConvert.SerializeObject(product);
db.StringSet("json", Encoding.UTF8.GetBytes(objStr), TimeSpan.FromMinutes(1));

var resStr = Encoding.UTF8.GetString(db.StringGet("json"));
var res = JsonConvert.DeserializeObject<Product>(resStr);

再来看看ProtoBuf

序列化的操作

using (var ms = new MemoryStream())
{
    Serializer.Serialize(ms, product);
    db.StringSet("protobuf", ms.ToArray(), TimeSpan.FromMinutes(1));
}

反序列化的操作

var value = db.StringGet("protobuf");

using (var ms = new MemoryStream(value))
{
    var desValue = Serializer.Deserialize<Product>(ms); 
    Console.WriteLine($"{desValue.Id}-{desValue.Name}");
}

用法看起来也是中规中矩。

但是想这样就跑起来是没那么顺利的。错误提示如下：

处理方法有两个，一个是在Product类和属性上面加上对应的Attribute，另一个是用ProtoBuf.Meta在运行时来处理这个问题。可以参考AutoProtobuf的实现。

下面用第一种方式来处理，直接加上[ProtoContract]和[ProtoMember]这两个Attribute。

再次运行就是我们所期望的结果了。

最后来看看MessagePack，据其在Github上的说明和对比，似乎比其他序列化的库都强悍不少。

它默认也是要像Protobuf那样加上MessagePackObject和Key这两个Attribute的。

不过它也提供了一个IFormatterResolver参数，可以让我们有所选择。

下面用的是不需要加Attribute的方法来演示。

序列化的操作

var serValue = MessagePackSerializer.Serialize(product, ContractlessStandardResolver.Instance);
db.StringSet("messagepack", serValue, TimeSpan.FromMinutes(1));

反序列化的操作

var value = db.StringGet("messagepack");
var desValue = MessagePackSerializer.Deserialize<Product>(value, ContractlessStandardResolver.Instance);

此时运行起来也是正常的。

其实序列化这一步，对Redis来说是十分简单的，因为它显式的让我们去处理，然后把结果进行存储。

上面演示的4种方法，从使用上看，似乎都差不多，没有太大的区别。

如果拿Redis和Memcached对比，会发现Memcached的操作可能比Redis的略微复杂了一点。

下面来看看Memcached的使用。

Memcached

EnyimMemcachedCore默认有一个 DefaultTranscoder
，对于常规的数据类型(int,string等)本文不细说，只是特别说明object类型。

在DefaultTranscoder中，对Object类型的数据进行序列化是基于Bson的。

还有一个BinaryFormatterTranscoder是属于默认的另一个实现，这个就是基于我们前面的说.NET类库自带的System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary。

先来看看这两种自带的Transcoder要怎么用。

先定义好初始化Memcached相关的方法，以及读写缓存的方法。

初始化Memcached如下：

private static void InitMemcached(string transcoder = "")
{
    IServiceCollection services = new ServiceCollection();
    services.AddEnyimMemcached(options =>
    {
        options.AddServer("127.0.0.1", 11211);
        options.Transcoder = transcoder;
    });
    services.AddLogging();
    IServiceProvider serviceProvider = services.BuildServiceProvider();
    _client = serviceProvider.GetService<IMemcachedClient>() as MemcachedClient;
}

这里的transcoder就是我们要选择那种序列化方法(针对object类型)，如果是空就用Bson，如果是BinaryFormatterTranscoder用的就是BinaryFormatter。

需要注意下面两个说明

1. 2.1.0版本之后，Transcoder由ITranscoder类型变更为string类型。
2. 2.1.0.5版本之后，可以通过依赖注入的形式来完成，而不用指定string类型的Transcoder。

读写缓存的操作如下：

private static void MemcachedTrancode(Product product)
{
    _client.Store(Enyim.Caching.Memcached.StoreMode.Set, "defalut", product, DateTime.Now.AddMinutes(1));

    Console.WriteLine("serialize succeed!");

    var desValue = _client.ExecuteGet<Product>("defalut").Value;

    Console.WriteLine($"{desValue.Id}-{desValue.Name}");
    Console.WriteLine("deserialize succeed!");
}

我们在Main方法中的代码如下 ：

static void Main(string[] args)
{
    Product product = new Product
    {
      Id = 999,
      Name = "Product999"
    };
    
    //Bson
    string transcoder = "";
    //BinaryFormatter
    //string transcoder = "BinaryFormatterTranscoder";            
    InitMemcached(transcoder);
    MemcachedTrancode(product);
    
    Console.ReadKey();
}

对于自带的两种Transcoder，跑起来还是比较顺利的，在用BinaryFormatterTranscoder时记得给Product类加上[Serializable]就好！

下面来看看如何借助MessagePack来实现Memcached的Transcoder。

这里继承DefaultTranscoder就可以了，然后重写SerializeObject，DeserializeObject和Deserialize这三个方法。

public class MessagePackTranscoder : DefaultTranscoder
{
    protected override ArraySegment<byte> SerializeObject(object value)
    {
        return MessagePackSerializer.SerializeUnsafe(value, TypelessContractlessStandardResolver.Instance);
    }

    public override T Deserialize<T>(CacheItem item)
    {
        return (T)base.Deserialize(item);
    }

    protected override object DeserializeObject(ArraySegment<byte> value)
    {
        return MessagePackSerializer.Deserialize<object>(value, TypelessContractlessStandardResolver.Instance);
    }
}

庆幸的是，MessagePack有方法可以让我们直接把一个object序列化成ArraySegment，也可以把ArraySegment 反序列化成一个object！！

相比Json和Protobuf，省去了不少操作！！

这个时候，我们有两种方式来使用这个新定义的MessagePackTranscoder。

方式一 ：在使用的时候，我们只需要替换前面定义的transcoder变量即可(适用>=2.1.0版本)。

string transcoder = "CachingSerializer.MessagePackTranscoder,CachingSerializer";

注：如果使用方式一来处理，记得将transcoder的拼写不要错，并且要带上命名空间，不然创建的Transcoder会一直是null，从而走的就是Bson了! 本质是 Activator.CreateInstance，应该不用多解释。

方式二：通过依赖注入的方式来处理(适用>=2.1.0.5版本)

private static void InitMemcached(string transcoder = "")
{
    IServiceCollection services = new ServiceCollection();
    services.AddEnyimMemcached(options =>
    {
        options.AddServer("127.0.0.1", 11211);
        //这里保持空字符串或不赋值，就会走下面的AddSingleton
        //如果这里赋了正确的值，后面的AddSingleton就不会起作用了
        options.Transcoder = transcoder;
    });
    //使用新定义的MessagePackTranscoder
    services.AddSingleton<ITranscoder, MessagePackTranscoder>();
    
    //others...
}

运行之前加个断点，确保真的进了我们重写的方法中。

最后的结果：

Protobuf和Json的，在这里就不一一介绍了，这两个处理起来比MessagePack复杂了不少。可以参考MemcachedTranscoder这个开源项目，也是MessagePack作者写的，虽然是5年前的，但是一样的好用。

对于Redis来说，在调用Set方法时要显式的将我们的值先进行序列化，不那么简洁，所以都会进行一次封装在使用。

对于Memcached来说，在调用Set方法的时候虽然不需要显式的进行序列化，但是有可能要我们自己去实现一个Transcoder，这也是有点麻烦的。

下面给大家推荐一个简单的缓存库来处理这些问题。

使用EasyCaching来简化操作

EasyCaching是笔者在业余时间写的一个简单的开源项目，主要目的是想简化缓存的操作，目前也在不断的完善中。

EasyCaching提供了前面所说的4种序列化方法可供选择：

1. BinaryFormatter
2. MessagePack
3. Json
4. ProtoBuf

如果这4种都不满足需求，也可以自己写一个，只要实现IEasyCachingSerializer这个接口相应的方法即可。

Redis

在介绍怎么用序列化之前，先来简单看看是怎么用的(用ASP.NET Core Web API做演示)。

添加Redis相关的nuget包

Install-Package EasyCaching.Redis

修改Startup

public class Startup
{
    //...

    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
        //other services.

        //Important step for Redis Caching       
        services.AddDefaultRedisCache(option=>
        {                
            option.Endpoints.Add(new ServerEndPoint("127.0.0.1", 6379));
            option.Password = "";
        });
    }
}

然后在控制器中使用：

[Route("api/[controller]")]
public class ValuesController : Controller
{
    private readonly IEasyCachingProvider _provider;

    public ValuesController(IEasyCachingProvider provider)
    {
        this._provider = provider;
    }

    [HttpGet]
    public string Get()
    {
        //Set
        _provider.Set("demo", "123", TimeSpan.FromMinutes(1));

        //Get without data retriever
        var res = _provider.Get<string>("demo");

        _provider.Set("product:1", new Product { Id = 1, Name = "name"}, TimeSpan.FromMinutes(1))

        var product = _provider.Get<Product>("product:1");
          
        return  $"{res.Value}-{product.Value.Id}-{product.Value.Name}";  
    }
}

1. 使用的时候，在构造函数对IEasyCachingProvider进行依赖注入即可。
2. Redis默认用了BinaryFormatter来进行序列化。

下面我们要如何去替换我们想要的新的序列化方法呢？

以MessagePack为例，先通过nuget安装package

Install-Package EasyCaching.Serialization.MessagePack

然后只需要在ConfigureServices方法中加上下面这句就可以了。

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    //others..
    
    services.AddDefaultMessagePackSerializer();
}

Memcached

同样先来简单看看是怎么用的(用ASP.NET Core Web API做演示)。

添加Memcached的nuget包

Install-Package EasyCaching.Memcached

修改Startup

public class Startup
{
    //...

    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
        services.AddMvc();

        //Important step for Memcached Cache
        services.AddDefaultMemcached(option=>
        {                
            option.AddServer("127.0.0.1",11211);            
        });        
    }

    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env)
    {
        //Important step for Memcache Cache
        app.UseDefaultMemcached();    
    }
}

在控制器中使用时和Redis是一模一样的。

这里需要注意的是，在EasyCaching中，默认使用的序列化方法并不是DefaultTranscoder中的Bson，而是BinaryFormatter

如何去替换默认的序列化操作呢？

同样以MessagePack为例，先通过nuget安装package

Install-Package EasyCaching.Serialization.MessagePack

剩下的操作和Redis是一样的！

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    //others..
    services.AddDefaultMemcached(op=>
    {                
        op.AddServer("127.0.0.1",11211);
    });
    //specify the Transcoder use messagepack serializer.
    services.AddDefaultMessagePackSerializer();
}

因为在EasyCaching中，有一个自己的Transcoder，这个Transcoder对IEasyCachingSerializer进行注入，所以只需要指定对应的Serializer即可。

总结

一、 先来看看文中提到的4种序列化的库

System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary在使用上需要加上[Serializable]，效率是最慢的，优势就是类库里面就有，不需要额外引用其他package。

Newtonsoft.Json使用起来比较友善，可能是用的多的缘故，也不需要我们对已经定义好的类加一些Attribute上去。

protobuf-net使用起来可能就略微麻烦一点，可以在定义类的时候加上相应的Attribute，也可以在运行时去处理(要注意处理子类)，不过它的口碑还是不错的。

MessagePack-CSharp虽然可以不添加Attribute，但是不加比加的时候也会有所损耗。

至于如何选择，可能就要视情况而定了！

有兴趣的可以用BenchmarkDotNet跑跑分，我也简单写了一个可供参考：SerializerBenchmark

二、在对缓存操作的时候，可能会更倾向于“隐式”操作，能直接将一个object扔进去，也可以直接将一个object拿出来，至少能方便使用方。

三、序列化操作时，Redis要比Memcached简单一些。

最后，如果您在使用EasyCaching，有问题或建议可以联系我！

前半部分的示例代码：CachingSerializer

后半部分的示例代码：sample