JCache

CacheManager는 JCache API에서 캐시 시스템의 진입점이자 중앙 관리자 역할을 한다. 애플리케이션 내에서 하나 이상의 Cache 인스턴스를 생성, 구성, 추적, 관리하며, 모든 캐시의 수명 주기를 책임진다. CacheManager는 JCache 프로바이더에 의해 제공되며, 일반적으로 애플리케이션 시작 시 초기화되어 특정 캐싱 구현(Ehcache, Hazelcast 등)에 대한 연결을 설정한다.

주요 기능으로는 캐시 생성, 검색, 제거, 그리고 캐시 구성(CacheConfiguration) 관리가 있다. 개발자는 CacheManager를 통해 동일한 캐시 이름과 구성을 가진 인스턴스를 반복적으로 획득할 수 있어, 애플리케이션 전반에 걸쳐 일관된 캐시 사용을 보장한다. 또한, CacheManager는 관리하에 있는 모든 캐시를 폐쇄하는 기능을 제공하여 애플리케이션 종료 시 리소스를 안전하게 해제할 수 있게 한다.

JCache 스펙은 CacheManager의 동작을 정의하지만, 구체적인 초기화 방식(예: 클래스패스 설정 파일 자동 탐색 또는 프로그래밍적 구성)은 각 프로바이더 구현체에 따라 다를 수 있다. 이 추상화 계층 덕분에 애플리케이션 코드는 특정 캐시 벤더에 종속되지 않고 표준화된 방식으로 CacheManager를 통해 캐시에 접근할 수 있다.

Cache는 JCache API의 핵심 구성 요소로, 키-값 저장소 형태로 데이터를 보관하는 컨테이너이다. 애플리케이션은 Cache 인터페이스를 통해 캐싱된 데이터에 접근하고 관리한다. 각 Cache는 고유한 이름을 가지며, 특정 CacheManager에 의해 생성되고 관리된다. Cache는 메모리 내에 데이터를 저장함으로써 데이터베이스나 원격 서비스와 같은 느린 백엔드 저장소에 대한 접근 빈도를 줄여 애플리케이션 성능을 향상시키는 역할을 한다.

Cache는 자바 제네릭스를 사용하여 키(K)와 값(V)의 타입을 정의한다. 이는 타입 안정성을 보장하며, 캐시에 저장하거나 조회할 때 불필요한 형 변환을 방지한다. Cache 인터페이스는 데이터를 저장(put), 조회(get), 삭제(remove)하는 기본적인 CRUD 연산 메서드를 제공한다. 또한, 조건부 업데이트(putIfAbsent, replace)나 여러 항목을 한 번에 처리하는 벌크 연산(getAll, putAll)과 같은 고급 기능도 포함하고 있다.

Cache의 동작은 다양한 구성 요소에 의해 세밀하게 제어될 수 있다. 예를 들어, CacheLoader는 캐시 미스 발생 시 백엔드 저장소에서 데이터를 자동으로 로드하는 로직을 제공하며, CacheWriter는 캐시의 데이터가 변경될 때 이를 백엔드 저장소에 동기화하는 역할을 한다. 또한, Expiry Policy는 각 캐시 항목(Entry)의 유효 기간을 정의하여, 캐시가 오래되거나 사용되지 않는 데이터로 가득 차는 것을 방지하고 메모리 사용을 효율적으로 관리한다.

이러한 표준화된 Cache 인터페이스는 Ehcache, Hazelcast, Infinispan과 같은 서로 다른 캐시 구현체를 사용하더라도 일관된 방식으로 프로그래밍할 수 있게 해준다. 결과적으로 애플리케이션 코드는 특정 벤더의 API에 종속되지 않으면서도 캐싱의 이점을 활용할 수 있으며, 필요에 따라 기저의 캐시 구현체를 교체하는 것이 용이해진다.

JCache API에서 Cache는 키-값 쌍의 집합으로 구성된다. 이때 각각의 키-값 쌍을 Entry라고 부른다. Entry는 캐시에 저장되는 데이터의 기본 단위이며, 키와 값으로 이루어져 있다. 키는 캐시 내에서 특정 Entry를 고유하게 식별하는 역할을 하며, 값은 실제 저장되는 데이터 객체를 의미한다.

Entry는 단순히 데이터를 저장하는 것을 넘어, 캐시의 수명 주기와 직접적으로 연관된다. 모든 Entry는 만료 정책에 따라 생성, 접근, 갱신된 시간을 기준으로 캐시에서 자동으로 제거될 수 있다. 또한 Entry는 CacheLoader를 통해 지연 로딩되거나, CacheWriter를 통해 영구 저장소에 동기화될 수 있는 대상이 된다.

개발자는 Cache 인터페이스를 통해 Entry에 대한 CRUD 연산을 수행한다. 이는 새로운 Entry를 추가하거나, 기존 Entry의 값을 조회, 갱신, 삭제하는 작업을 포함한다. 또한 벌크 연산을 통해 여러 Entry를 한 번에 처리하거나, 조건부 연산을 통해 특정 조건을 만족하는 Entry에 대해서만 작업을 수행할 수 있다.

Entry의 상태 변화는 이벤트와 리스너 메커니즘을 통해 모니터링될 수 있다. 예를 들어 Entry가 생성, 갱신, 만료, 또는 삭제될 때 애플리케이션에 알림을 보낼 수 있다. 또한 통계 수집 기능을 활성화하면, 각 Entry에 대한 접근 횟수, 적중률 등의 정보를 확인하여 캐시의 효율성을 분석하는 데 활용할 수 있다.

CacheLoader는 캐시에 존재하지 않는 키에 대한 요청이 들어왔을 때, 자동으로 데이터를 로드하여 캐시에 채워 넣는 컴포넌트이다. 이는 "Read-Through" 캐싱 패턴을 구현하는 데 핵심적이다. 애플리케이션이 단순히 cache.get(key)를 호출하면, 캐시는 먼저 내부에서 해당 키를 찾는다. 만약 키가 존재하지 않으면, 등록된 CacheLoader의 load 메서드를 호출하여 데이터 소스(예: 데이터베이스, 외부 API)로부터 데이터를 가져온 후, 그 결과를 캐시에 저장하고 애플리케이션에 반환한다. 이를 통해 애플리케이션 코드는 캐시 미스 상황을 명시적으로 처리할 필요 없이, 캐시가 데이터 소스와의 통합을 투명하게 관리하도록 할 수 있다.

반대로 CacheWriter는 캐시에 대한 쓰기 연산(생성, 갱신, 삭제)이 발생했을 때, 그 변경 사항을 데이터 소스에 동기화하는 역할을 담당한다. 이는 "Write-Through" 또는 "Write-Behind" 캐싱 패턴을 지원한다. 예를 들어, 애플리케이션이 cache.put(key, value)를 호출하면, 캐시는 먼저 내부에 값을 저장한 후, 등록된 CacheWriter의 write 메서드를 호출하여 변경 사항을 영구 저장소에 기록한다. Write-Behind 모드에서는 이 쓰기 작업을 비동기적으로 지연시켜 배치 처리할 수 있어 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 두 인터페이스는 함께 사용되어 캐시를 데이터 소스의 선행 로드 버퍼이자 쓰기 버퍼로 동작하게 하며, 애플리케이션과 영구 저장소 사이의 중간 계층을 완성한다. JCache 구현체인 Ehcache나 Infinispan은 이러한 인터페이스의 구현을 제공하거나, 개발자가 비즈니스 로직에 맞게 커스텀 구현체를 작성하여 캐시의 동작을 세밀하게 제어할 수 있도록 한다.

Expiry Policy는 캐시에 저장된 엔트리의 유효 기간을 정의하고 관리하는 규칙이다. 이 정책은 캐시가 메모리와 같은 제한된 자원을 효율적으로 사용하도록 돕는다. JCache 사양에서는 javax.cache.expiry.ExpiryPolicy 인터페이스를 통해 이 기능을 표준화한다. 개발자는 이 인터페이스를 구현하여 특정 비즈니스 로직에 맞는 만료 정책을 만들거나, JCache가 제공하는 기본 구현체를 사용할 수 있다.

주요 만료 정책으로는 CreatedExpiryPolicy, AccessedExpiryPolicy, ModifiedExpiryPolicy, TouchedExpiryPolicy, EternalExpiryPolicy 등이 있다. 예를 들어, CreatedExpiryPolicy는 엔트리가 캐시에 생성된 시점부터 지정된 시간이 지나면 만료시키며, AccessedExpiryPolicy는 마지막으로 읽힌 시점부터 시간을 계산한다. EternalExpiryPolicy는 엔트리가 절대 만료되지 않도록 설정한다. 이러한 정책은 CacheManager를 통해 캐시를 구성할 때 설정할 수 있다.

만료 정책의 적용은 캐시 작업과 밀접하게 연동된다. 캐시에 대한 CRUD 연산(생성, 읽기, 갱신, 삭제)이 발생할 때마다 해당 엔트리의 만료 시간이 재계산되거나 갱신될 수 있다. 또한, 만료된 엔트리는 캐시에서 자동으로 제거되며, 이 과정에서 CacheEntryExpiredListener와 같은 이벤트 리스너를 통해 애플리케이션에 알림을 전달할 수 있다. 이를 통해 애플리케이션은 오래된 데이터가 제공되는 것을 방지하고, 캐시의 저장 공간을 최신의 유용한 데이터로 유지할 수 있다.

JCache는 캐시에 데이터를 저장하고 조회하는 기본적인 CRUD 연산을 표준화된 방식으로 제공한다. 이는 캐시의 가장 핵심적인 기능으로, 애플리케이션 코드가 특정 캐싱 구현체에 종속되지 않고 일관된 방법으로 데이터를 관리할 수 있게 한다. 주요 연산은 Cache 인터페이스를 통해 수행되며, 키-값 쌍을 기반으로 한다.

기본적인 저장과 조회 연산으로는 put과 get이 있다. put 메서드는 지정된 키와 값을 캐시에 저장하며, 동일한 키가 이미 존재할 경우 값을 새 값으로 덮어쓴다. get 메서드는 주어진 키에 해당하는 값을 캐시에서 조회하여 반환한다. 값이 존재하지 않으면 null을 반환한다. 이 외에도 putIfAbsent 메서드를 사용하면 키가 존재하지 않을 때만 값을 저장하는 조건부 삽입이 가능하다.

데이터의 삭제를 위한 연산으로는 remove가 제공된다. 이 메서드는 특정 키에 해당하는 항목을 캐시에서 제거한다. 또한, getAndRemove 메서드를 사용하면 값을 반환한 후 해당 항목을 삭제하는 원자적 연산을 수행할 수 있다. 캐시 내의 모든 항목을 한 번에 지우고 싶을 때는 clear 메서드를 호출한다.

값의 업데이트를 위한 편의 메서드도 존재한다. replace 메서드는 지정된 키의 기존 값을 새로운 값으로 대체한다. getAndReplace 메서드는 기존 값을 반환한 후 새 값으로 교체하는 원자적 연산을 지원한다. 이러한 기본 CRUD 연산들은 JCache 구현체인 Ehcache나 Hazelcast 등에서 모두 동일한 방식으로 사용 가능하며, 애플리케이션의 데이터 접근 성능을 높이는 기초가 된다.

JCache는 캐시에 데이터를 저장하거나 조회할 때 특정 조건을 만족하는 경우에만 연산을 수행하는 조건부 연산을 지원한다. 이 기능은 동시성 제어와 데이터 일관성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 가장 대표적인 조건부 연산으로는 putIfAbsent, getAndPut, remove, replace 등이 있으며, 이들은 모두 키의 존재 여부나 기존 값과의 비교를 조건으로 삼아 실행된다. 예를 들어, putIfAbsent 메서드는 지정된 키가 캐시에 아직 존재하지 않을 때만 새로운 값을 저장하며, 이를 통해 불필요한 값 덮어쓰기를 방지할 수 있다.

조건부 연산의 또 다른 핵심은 replace 메서드다. 이 메서드는 replace(key, oldValue, newValue) 형태로 호출되어, 지정된 키에 매핑된 현재 값이 oldValue와 정확히 일치할 때만 새로운 값(newValue)으로 교체한다. 이는 낙관적 잠금 패턴을 구현할 때 유용하며, 여러 스레드가 동시에 같은 데이터를 수정하려 할 때 데이터의 정합성을 보장하는 데 도움을 준다. 조건이 만족되지 않으면 연산은 실패하고 캐시의 상태는 변경되지 않는다.

이러한 조건부 연산들은 분산 캐시 환경에서 특히 중요성을 가진다. 네트워크를 통해 연결된 여러 애플리케이션 서버가 공유 캐시에 접근할 때, 원자적인 조건부 연산을 통해 데이터의 신뢰성을 유지할 수 있다. JCache 표준은 이러한 연산들이 원자적으로 실행되도록 보장함으로써, 개발자가 별도의 외부 동기화 메커니즘 없이도 안전하게 캐시를 조작할 수 있는 기반을 제공한다.

JCache는 단일 항목을 처리하는 기본 연산 외에도, 다수의 캐시 항목을 효율적으로 처리하기 위한 벌크 연산을 제공한다. 이러한 연산들은 개별적인 호출을 반복하는 것보다 성능상 유리하며, 특히 대량의 데이터를 한꺼번에 읽거나 쓰거나 삭제해야 하는 시나리오에서 유용하다. 주요 벌크 연산으로는 getAll, putAll, removeAll 메서드가 포함된다. getAll 메서드는 주어진 키 컬렉션에 해당하는 모든 캐시 항목을 한 번의 호출로 가져오며, putAll은 여러 키-값 쌍을 캐시에 한꺼번에 저장한다. removeAll 메서드는 주어진 키 집합에 해당하는 항목들을 삭제하거나, 인자 없이 호출할 경우 캐시 내의 모든 항목을 제거하는 데 사용된다.

벌크 연산의 중요한 특징은 이러한 작업들이 원자적으로 실행될 수 있다는 점이다. 예를 들어, putAll 연산은 전달된 모든 키-값 쌍이 성공적으로 저장되거나, 그렇지 않으면 어떤 것도 저장되지 않는 원자성을 보장할 수 있다. 이는 데이터 일관성을 유지하는 데 중요하다. 또한, getAll 연산의 결과는 맵 형태로 반환되어, 요청된 키 중 캐시에 존재하는 항목들만 포함된다. 존재하지 않는 키에 대해서는 결과 맵에 포함되지 않는다.

벌크 연산을 사용함으로써 네트워크 오버헤드를 줄이고, 분산 캐시 환경에서의 지연 시간을 최소화할 수 있다. JCache API는 이러한 연산들을 표준화하여, 개발자가 특정 캐시 구현체에 종속되지 않고 일관된 방식으로 대량 데이터 처리를 구현할 수 있게 한다. 이는 Ehcache, Hazelcast, Infinispan과 같은 다양한 JCache 제공자 위에서 동일한 코드를 실행할 수 있음을 의미한다.

JCache는 캐시에서 발생하는 다양한 사건을 애플리케이션이 감지하고 대응할 수 있도록 이벤트와 리스너 메커니즘을 제공한다. 이 기능을 통해 개발자는 캐시 항목의 생성, 갱신, 만료, 삭제와 같은 상태 변화를 실시간으로 모니터링하거나, 특정 조건 하에서 추가적인 비즈니스 로직을 실행할 수 있다.

이벤트는 크게 CacheEntryCreatedListener, CacheEntryUpdatedListener, CacheEntryRemovedListener, CacheEntryExpiredListener와 같은 리스너 인터페이스를 통해 구독된다. 애플리케이션은 이러한 리스너를 구현하여 캐시에 등록하면, 해당하는 이벤트가 발생할 때마다 콜백 메서드가 호출된다. 예를 들어, 항목이 만료될 때 관련 리소스를 정리하거나, 항목이 갱신될 때 외부 시스템에 알림을 보내는 등의 작업을 수행할 수 있다.

이벤트 리스너는 동기식 또는 비동기식으로 동작하도록 구성할 수 있다. 동기식 리스너는 이벤트를 발생시킨 캐시 연산의 호출 스레드에서 실행되어, 리스너 처리 완료 후에야 원래 연산이 반환된다. 반면 비동기식 리스너는 별도의 스레드에서 실행되므로 캐시 연산의 응답 시간에 영향을 주지 않는다. 이러한 유연성을 통해 성능 요구사항에 맞게 이벤트 처리 방식을 선택할 수 있다.

이벤트 시스템은 조건부 연산과 결합하여 더욱 정교한 제어가 가능하다. 예를 들어, 오래된 값만 갱신하는 조건부 put 연산이 성공했을 때만 CacheEntryUpdatedListener가 트리거될 수 있다. 또한, JCache 구현체인 Ehcache나 Hazelcast는 자체적인 확장 이벤트 모델을 제공하기도 한다.

JCache는 캐시의 성능과 상태를 모니터링하기 위한 통계 기능을 표준화하여 제공한다. 이는 애플리케이션 운영 및 튜닝 과정에서 캐시의 효율성을 정량적으로 평가하는 데 핵심적인 역할을 한다. 통계 정보는 주로 CacheManager나 개별 Cache 인스턴스를 통해 접근할 수 있으며, 대부분의 구현체는 성능 저하를 최소화하기 위해 통계 수집 기능을 기본적으로 비활성화해 놓는다. 따라서 사용 전에 명시적으로 활성화하는 설정이 필요하다.

주요 통계 항목은 캐시 적중률, 조회 및 저장 연산 횟수, 제거 횟수, 평균 실행 시간 등으로 구성된다. 캐시 적중률은 캐시가 데이터 요청을 얼마나 효과적으로 처리하는지를 보여주는 가장 중요한 지표 중 하나이다. 또한, 통계는 벌크 연산의 성공 및 실패 횟수, 이벤트와 리스너가 트리거된 횟수와 같은 상세한 정보도 포함할 수 있다. 이러한 데이터는 애플리케이션 성능 향상을 위한 캐시 전략 조정이나 데이터베이스 부하 분산 효과 분석에 직접적으로 활용된다.

통계 정보는 표준화된 javax.cache.CacheStatistics 인터페이스를 통해 일관된 방식으로 조회할 수 있다. 이를 통해 개발자는 Ehcache, Hazelcast, Infinispan과 같은 서로 다른 JCache 구현체를 사용하더라도 동일한 API로 통계를 수집하고 비교 분석할 수 있다. 이는 특정 벤더에 종속되지 않는 표준 API의 장점을 잘 보여준다.