日常開(kāi)發(fā)中，緩存能夠有效加速應(yīng)用的讀寫(xiě)速度，同時(shí)也可以降低后端負(fù)載远豺，不過(guò)也隨之帶來(lái)一些問(wèn)題。（參考付磊坞嘀、張益軍兩位大神的《Redis開(kāi)發(fā)與運(yùn)維》）
緩存優(yōu)點(diǎn)
加速讀寫(xiě)：緩存通常是全內(nèi)存的（例如Redis躯护、Memcache），而存儲(chǔ)層通常讀寫(xiě)性能不夠強(qiáng)悍丽涩，通過(guò)緩存的使用可以有效地加速讀寫(xiě)棺滞，優(yōu)化用戶體驗(yàn)；
降低后端負(fù)載：幫助后端減少訪問(wèn)量和復(fù)雜計(jì)算（比如很復(fù)雜的sql邏輯）矢渊，很大程度上降低了后端的負(fù)載继准。
緩存缺點(diǎn)
數(shù)據(jù)不一致性：緩存層和存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)存在著一定時(shí)間窗口的不一致性，時(shí)間窗口跟更新策略有關(guān)矮男；
代碼維護(hù)成本：加入緩存后移必，需要同時(shí)處理緩存層和存儲(chǔ)層的邏輯，增大了開(kāi)發(fā)者維護(hù)代碼的成本毡鉴；
運(yùn)維成本：比如Redis Cluster崔泵，加入后無(wú)形中增加了運(yùn)維成本。
P.S. 分析緩存優(yōu)缺點(diǎn)猪瞬，不難看出緩存主要用于兩種場(chǎng)景憎瘸，一是開(kāi)銷大的復(fù)雜計(jì)算，比如很復(fù)雜的sql計(jì)算等陈瘦；二是加速請(qǐng)求響應(yīng)幌甘。
緩存更新策略
緩存中的數(shù)據(jù)一般是有生命周期的，需要在指定時(shí)間后被刪除或更新，從而來(lái)保證緩存空間在一個(gè)可控的范圍內(nèi)含潘，但緩存中的數(shù)據(jù)會(huì)和數(shù)據(jù)源的真實(shí)數(shù)據(jù)有一段時(shí)間窗口的不一致饲做，需要利用某些策略進(jìn)行更新。常見(jiàn)的有三種緩存的更新策略：
- LRU/LFU/FIFO算法剔除
剔除算法一般用于緩存使用量超過(guò)預(yù)設(shè)最大值遏弱，如何對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除盆均。Redis使用maxmemory-policy作為內(nèi)存最大值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。清理哪些數(shù)據(jù)交由算法決定漱逸，開(kāi)發(fā)人員只能決定選擇何種算法泪姨，所以數(shù)據(jù)的一致性最差，但也意味著維護(hù)成本低饰抒，不需要自己設(shè)計(jì)算法肮砾，只要選擇適合的算法即可。 - 超時(shí)剔除
超時(shí)剔除一般用于給緩存設(shè)置過(guò)期時(shí)間袋坑，讓其過(guò)期后自動(dòng)刪除仗处。Redis使用expire來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)一段時(shí)間內(nèi)窗口內(nèi)（取決于過(guò)期時(shí)間長(zhǎng)短）存在一致性問(wèn)題枣宫，即緩存數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)源不一致婆誓。該策略的優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)成本較低，只需設(shè)置expire過(guò)期時(shí)間即可也颤，當(dāng)然也要接受其不一致的缺點(diǎn)洋幻。 - 主動(dòng)更新
這種一般用于應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)一致性要求很高，需要在真實(shí)數(shù)據(jù)更新后翅娶，立即更新緩存數(shù)據(jù)文留。比如可以利用消息系統(tǒng)或其他方式通知緩存更新。其一致性是三種策略中最高的竭沫，維護(hù)成本也是最高的燥翅。
P.S.低一致性業(yè)務(wù)建議配置最大內(nèi)存和淘汰策略；高一致性業(yè)務(wù)建議結(jié)合使用超時(shí)剔除和主動(dòng)更新
穿透優(yōu)化
緩存穿透是指查詢一個(gè)不存在的數(shù)據(jù)蜕提，存儲(chǔ)層和緩沖層都不會(huì)命中权旷，通常用于容錯(cuò)考慮，如果存儲(chǔ)層查不到數(shù)據(jù)則不寫(xiě)入緩沖層贯溅。如下圖
緩存穿透將導(dǎo)致不存在的數(shù)據(jù)每次請(qǐng)求都要都存儲(chǔ)層去查詢拄氯，失去了緩存保護(hù)后端存儲(chǔ)的意義。
緩存穿透問(wèn)題可能會(huì)使后端存儲(chǔ)負(fù)載加大它浅，并且由于很多后端存儲(chǔ)不具備高并發(fā)性译柏，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致后端存儲(chǔ)宕掉〗慊簦可以在程序中分別統(tǒng)計(jì)總調(diào)用數(shù)鄙麦、緩存層命中數(shù)典唇、存儲(chǔ)層命中數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)大量存儲(chǔ)層命中胯府，說(shuō)明可能發(fā)生了緩存穿透介衔。
緩存穿透基本原因有兩個(gè)，一是自身業(yè)務(wù)代碼或數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題骂因；二是惡意攻擊或爬蟲(chóng)炎咖。
目前解決方案有兩種，一是緩存空對(duì)象寒波，二是布隆過(guò)濾器攔截乘盼。
- 緩存空對(duì)象
緩存穿透過(guò)程中，當(dāng)存儲(chǔ)層不命中后俄烁，仍將空對(duì)象保留到緩存層中绸栅，之后再訪問(wèn)這個(gè)數(shù)據(jù)將會(huì)從緩存中獲取，這樣就可以保護(hù)后端數(shù)據(jù)源页屠。
這種方案有兩個(gè)問(wèn)題粹胯，一是空對(duì)象做了緩存，意味著緩存層中存了更多的鍵辰企，需要分配更多的內(nèi)存空間风纠。可以通過(guò)對(duì)這類數(shù)據(jù)設(shè)置一個(gè)較短的過(guò)期時(shí)間蟆豫，讓其自動(dòng)剔除，釋放內(nèi)存空間懒闷。二是緩存層和存儲(chǔ)層會(huì)有一段時(shí)間窗口的不一致十减，可以利用消息系統(tǒng)或其他方式消除掉緩存層中的空對(duì)象。 - 布隆過(guò)濾器攔截
在訪問(wèn)緩存層和存儲(chǔ)層之前愤估，將存在的key用布隆過(guò)濾器（BloomFilter）提前保存帮辟，做一層攔截。
舉個(gè)例子玩焰，一個(gè)推薦系統(tǒng)有1億個(gè)id由驹，一定時(shí)間算法會(huì)根據(jù)用戶之前歷史行為計(jì)算出推薦數(shù)據(jù)，并將其存入緩存層昔园，但是如果用戶沒(méi)有歷史行為蔓榄，那么就會(huì)發(fā)生緩存穿透，因?yàn)榭梢詫⑺型扑]數(shù)據(jù)的用戶做成布隆過(guò)濾器默刚。過(guò)濾器判定是否存在該歷史用戶甥郑，如果不存在，就不讓訪問(wèn)存儲(chǔ)層荤西，一定程度上保護(hù)后端數(shù)據(jù)源澜搅。
無(wú)底洞優(yōu)化
隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展伍俘，需要添加更加龐大的節(jié)點(diǎn)，批量操作需要從不同節(jié)點(diǎn)上獲取勉躺，而且鍵值分布到更多的節(jié)點(diǎn)上癌瘾，網(wǎng)絡(luò)和性能開(kāi)銷變得更高，即投入越多產(chǎn)出卻不一定越多饵溅。無(wú)底洞優(yōu)化也就是在分布式緩存中批量操作的優(yōu)化妨退。
一般的IO優(yōu)化方案有：優(yōu)化命令；減少網(wǎng)絡(luò)通信次數(shù)概说；降低接入成本碧注。
Redis批量操作獲取n個(gè)字符串，有三種實(shí)現(xiàn)思路：
1.客戶端n次get：n次網(wǎng)絡(luò)+n次get命令糖赔，具體方案有串行命令
2.客戶端1次pipeline get：1次網(wǎng)絡(luò)+n次get命令萍丐，具體方案有串行 IO，并行IO
3.客戶端1次mget：1次網(wǎng)絡(luò)+1次mget命令放典，具體方案有hash_tag實(shí)現(xiàn)
雪崩優(yōu)化
由于緩存層承載著大量請(qǐng)求逝变，有效地保護(hù)了存儲(chǔ)層，但由于某種原因緩存層掛了奋构，所有請(qǐng)求都直接達(dá)到存儲(chǔ)層壳影，造成存儲(chǔ)層出現(xiàn)級(jí)聯(lián)宕機(jī)，這就是緩存雪崩弥臼。
預(yù)防和解決緩存雪崩有三種思路：
1.保證緩存層服務(wù)高可用性宴咧。這樣個(gè)別節(jié)點(diǎn)、個(gè)別機(jī)器或者是機(jī)房宕機(jī)都能繼續(xù)提供服務(wù)径缅。
2.依賴隔離組件為后端限流并降級(jí)掺栅。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是隔離和降級(jí)纳猪。
3.提前演練氧卧。模擬緩存層宕掉的情況，然后對(duì)后端負(fù)載等其他情況進(jìn)行方案演練氏堤。
熱點(diǎn)key重建優(yōu)化
前面講過(guò)“緩存+過(guò)期時(shí)間”的策略可以滿足大部分需求沙绝，但是如果當(dāng)前key是很熱門的key（熱門新聞等），并發(fā)量非常大鼠锈，或者是由于有復(fù)雜計(jì)算闪檬，重建緩存不能短時(shí)間內(nèi)完成。
在緩存失效的瞬間购笆，有大量線程來(lái)重建緩存谬以，會(huì)造成后端負(fù)載加大，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用崩潰由桌。
簡(jiǎn)單來(lái)分析为黎，需要做到減少重建緩存次數(shù)邮丰，數(shù)據(jù)盡可能一致，減少潛在危險(xiǎn)铭乾。有兩種解決方案：
1.互斥鎖：只允許一個(gè)線程重建緩存剪廉，其他線程等待其重建結(jié)束，重新重緩存獲取數(shù)據(jù)炕檩。思路簡(jiǎn)單斗蒋，但如果重建緩存時(shí)間過(guò)程或出現(xiàn)問(wèn)題，可能會(huì)存在死鎖或線程池阻塞的風(fēng)險(xiǎn)笛质。不過(guò)這種方案能較好地降低后端存儲(chǔ)負(fù)載泉沾，保持不錯(cuò)的一致性。
2.“永遠(yuǎn)不過(guò)期”：從緩存角度上妇押，不設(shè)置過(guò)期expire時(shí)間跷究，從功能角度上，為每個(gè)value設(shè)置邏輯過(guò)期時(shí)間敲霍，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)邏輯過(guò)期時(shí)間俊马，則使用單獨(dú)線程去構(gòu)建緩存。這種方案很明顯會(huì)存在一致性問(wèn)題肩杈，并且代碼復(fù)雜度會(huì)增大柴我，不過(guò)熱點(diǎn)key導(dǎo)致的問(wèn)題基本能根除。
小結(jié)
聊了緩存設(shè)計(jì)扩然，很多方案有其長(zhǎng)處短處艘儒，需要根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)要求，采用合適的方案進(jìn)行緩存設(shè)計(jì)夫偶，不存在所謂的“萬(wàn)能鑰匙”界睁，這就需要我們開(kāi)發(fā)和運(yùn)維人員熟悉了解緩存設(shè)計(jì)，活用設(shè)計(jì)方案索守。
