這次我們先講講緩存的讀寫策略。你可能覺(jué)得緩存的讀寫很簡(jiǎn)單示姿，只需要有限讀緩存甜橱，緩存不命中就從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，查詢到了就回種緩存栈戳。實(shí)際上針對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景岂傲，緩存的讀寫策略也是不同的。
我們以標(biāo)準(zhǔn)的“緩存+數(shù)據(jù)庫(kù)”的場(chǎng)景為例子檀，剖析經(jīng)典的緩存讀寫策略以及它們適用的場(chǎng)景镊掖。這樣一來(lái)，就可以在日常的工作中根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇不同的讀寫策略褂痰。
Cache Aside(旁路緩存)策略
我們來(lái)考慮一種最簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)場(chǎng)景亩进，比如說(shuō)在你的電商系統(tǒng)中有一個(gè)用戶表，表中只有ID和年齡兩個(gè)字段缩歪，緩存中我們以ID為key存儲(chǔ)用戶的年齡信息归薛。那么當(dāng)我們要把ID為1的用戶的年齡從19變?yōu)?0改如何做？
你可能會(huì)產(chǎn)生這樣的思路：先更新數(shù)據(jù)中ID為1的記錄，再更新緩存中Key為1的數(shù)據(jù)苟翻。
這個(gè)思路會(huì)造成緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不一致韵卤。請(qǐng)看下圖 ：
為什么會(huì)產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題呢？因?yàn)樽兏鼣?shù)據(jù)庫(kù)和變更緩存是兩個(gè)獨(dú)立的操作崇猫，而我們并沒(méi)有對(duì)操作做任何的并發(fā)控制沈条。那么當(dāng)兩個(gè)線程并發(fā)更新它們的時(shí)候，就會(huì)因?yàn)閷懭腠樞虻牟煌斐蓴?shù)據(jù)不一致诅炉。
另外蜡歹，直接更新緩存還會(huì)存在另一個(gè)問(wèn)題就是丟失更新。以我們的電商系統(tǒng)為例涕烧，假如電商系統(tǒng)的賬戶中有三個(gè)字段：ID月而、戶名和金額，這個(gè)時(shí)候緩存中存儲(chǔ)的就不只是金額信息议纯，而是完整的賬戶信息了父款。當(dāng)更新緩存中賬戶的金額時(shí)，你需要從緩存中查詢完整的賬戶數(shù)據(jù)瞻凤，把金額變更后再寫入到緩存中憨攒。
這個(gè)過(guò)程也會(huì)有并發(fā)問(wèn)題，比如說(shuō)原有金額時(shí)20阀参，A請(qǐng)求從緩存督導(dǎo)數(shù)據(jù)肝集，并且把金額+1變更為21杏瞻，在未寫入請(qǐng)求之前又有請(qǐng)求B也讀到緩存數(shù)據(jù)后把金額+1,也變更為21赫模，兩個(gè)請(qǐng)求同時(shí)把金額寫回緩存，這時(shí)緩存里面的金額是21劣像，但是語(yǔ)氣金額數(shù)+2，這是個(gè)比較大的問(wèn)題闸婴。
要如何解決這個(gè)問(wèn)題呢对竣？其實(shí)我們可以在更新數(shù)據(jù)時(shí)不更新緩存，而是刪除緩存中的數(shù)據(jù)睛驳，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)緩存中沒(méi)了數(shù)據(jù)后钥勋，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)驻啤，更新到緩存中。
這個(gè)策略就是我們使用緩存最常見(jiàn)的策略谤绳，Cache Aside策略(也叫旁路緩存策略)，這個(gè)策略數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)婿失，緩存中的數(shù)據(jù)是按需加載的。它可以分為讀策略和寫策略，其中讀策略的步驟是：
- 從緩存中讀取數(shù)據(jù)稽穆；
- 如果緩存命中，則直接返回?cái)?shù)據(jù)卖擅；
- 如果緩存不命中，則從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢數(shù)據(jù)健提；
- 查詢到數(shù)據(jù)后琳猫，將數(shù)據(jù)寫入到緩存中，并且返回給用戶私痹。
寫策略的步驟是：
- 更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄脐嫂；
- 刪除緩存記錄统刮。
在寫策略中，能否先刪除緩存账千，后更新數(shù)據(jù)呢侥蒙？答案是不行的，因?yàn)檫@樣也有可能會(huì)出現(xiàn)緩存數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題匀奏，我們以用戶表的場(chǎng)景為例解釋一下鞭衩。
那么像Cache Aside策略這樣先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，后刪除緩存就沒(méi)問(wèn)題了么娃善？其實(shí)在理論上還是有缺陷的论衍。
不過(guò)這種問(wèn)題出現(xiàn)的概率并不高，因?yàn)?strong>緩存的寫入通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于數(shù)據(jù)庫(kù)的寫入聚磺，所以在實(shí)際中很難出現(xiàn)請(qǐng)求B已經(jīng)更新了數(shù)據(jù)庫(kù)并且清空了緩存坯台，請(qǐng)求A才更新完緩存的情況。而一旦請(qǐng)求A早于B清空緩存之前更新了緩存瘫寝，那么接下來(lái)的請(qǐng)求就會(huì)因?yàn)榫彺鏋榭昭牙伲鴱臄?shù)據(jù)庫(kù)中重新加載數(shù)據(jù)，所以不會(huì)出現(xiàn)這不一致的情況焕阿。
****Cache Aside策略是我們?nèi)粘ｉ_(kāi)發(fā)中經(jīng)常使用的緩存策略略咪啡，不過(guò)我們?cè)谑褂脮r(shí)也要學(xué)會(huì)依情況而變。**比如說(shuō)當(dāng)新注冊(cè)一個(gè)用戶暮屡，按照這個(gè)更新策略撤摸，你要寫數(shù)據(jù)庫(kù)，然后清理緩存(當(dāng)然緩存中沒(méi)有數(shù)據(jù)給你清理)栽惶〕盍铮可當(dāng)我注冊(cè)用戶后立即讀取用戶信息，并且數(shù)據(jù)庫(kù)主從分離時(shí)外厂，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)橹鲝难舆t所以讀不到用戶信息的情況。
而解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在插入新數(shù)據(jù)到DB之后寫入緩存代承，這樣后續(xù)的請(qǐng)求就會(huì)從緩存中讀到數(shù)據(jù)了汁蝶。并且因?yàn)槭切伦?cè)的用戶，所以不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)更新用戶信息的情況论悴。
Cache Aside存在的最大的問(wèn)題是當(dāng)寫入比較頻繁時(shí)掖棉，緩存你中的數(shù)據(jù)會(huì)被頻繁的清理，這樣會(huì)對(duì)緩存的命中率有一些影響膀估。如果你的業(yè)務(wù)對(duì)緩存命中率有嚴(yán)格要求幔亥，那么可以考慮兩種解決方案：
1.在更新數(shù)據(jù)時(shí)也更新緩存，只是在更新緩存前先加一個(gè)分布式鎖察纯，因?yàn)檫@樣在同一時(shí)間只允許一個(gè)線程更新緩存帕棉，就不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)問(wèn)題了针肥。當(dāng)然這么做對(duì)于寫入的性能會(huì)有一些影響；
2.另一種做法同樣也是在更新數(shù)據(jù)時(shí)更新緩存香伴，只是給緩存加一個(gè)較短的過(guò)期時(shí)間慰枕，這樣即使出現(xiàn)緩存不一致的情況，緩存的數(shù)據(jù)也會(huì)很快的過(guò)期即纲，對(duì)業(yè)務(wù)的影響也是可以承受的具帮。
當(dāng)然，除了這個(gè)策略低斋，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域還有其他幾種經(jīng)典的緩存策略蜂厅，它們也有各自適用的使用場(chǎng)景。
Read/Write Through(讀穿/寫穿)策略
這個(gè)策略的核心原則是用戶只與緩存打交道膊畴，由緩存和DB通信掘猿，寫入或者讀取數(shù)據(jù)。就比如你不能越級(jí)匯報(bào)巴比。
Write Through的策略是這樣的：先查詢要寫入的數(shù)據(jù)在緩存中是否已經(jīng)存在术奖，如果存在，則更新緩存中的數(shù)據(jù)轻绞，并且由緩存組件同步更新到DB中采记。如果緩存中數(shù)據(jù)不存在，我們把這種情況叫做“Write Miss(寫失效)”政勃。
一般來(lái)說(shuō)唧龄，我們可以選擇兩種“Write Miss”方式：一個(gè)是“Write Allocate(按寫分配)”，做法是寫入緩存相應(yīng)位置奸远，再由緩存組件同步更新到DB中既棺；另一個(gè)是“No-write allocate(不按寫分配)”，做法是不寫入緩存中懒叛，而是直接更新到DB中丸冕。
在Write Through策略中，我們一般選擇“不按寫分配”方式薛窥，原因是無(wú)論采用哪種“Write Miss”方式胖烛，我們都需要同步將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中，而“不按寫分配”方式相比“按寫分配”還減少了一次緩存的寫入诅迷，能夠提升寫入的性能佩番。
Read Though策略就簡(jiǎn)單一些，它的步驟是這樣的：先查詢緩存中數(shù)據(jù)是否存在罢杉，如果存在則直接返回趟畏，如果不存在，則由緩存組件負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)中同步加載數(shù)據(jù)滩租。
下面是Read Though/ Write Though策略的示意圖：
Read Though/ Write Though策略的特點(diǎn)是由緩存節(jié)點(diǎn)而非用戶來(lái)和數(shù)據(jù)庫(kù)打交道赋秀，在我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中相比Cache Aside策略要少見(jiàn)一些利朵，原因是我們經(jīng)常使用分布式緩存組件，無(wú)論是Memcached還是redis都不提供寫入DB沃琅，或者自動(dòng)加載DB中數(shù)據(jù)的功能哗咆。而我們?cè)谑褂帽镜鼐彺娴臅r(shí)候可以考慮使用這種策略，比如在上一節(jié)中提到的本地緩存Guava Cached中的Loading就有Read Though策略的影子益眉。
我們看到Write Though策略中寫數(shù)據(jù)庫(kù)是同步的晌柬，這對(duì)于性能來(lái)說(shuō)會(huì)有比較大的影響，因?yàn)橄鄬?duì)于寫緩存郭脂，同步寫數(shù)據(jù)庫(kù)的延遲就要高很多了name我們可否異步地更新數(shù)據(jù)庫(kù)年碘？
Write Back(寫回)策略
這個(gè)策略的核心思想是在寫入數(shù)據(jù)時(shí)只寫入緩存，并且把緩存塊兒標(biāo)記為“臟”的展鸡。而臟塊只有被再次使用時(shí)才會(huì)將其中的數(shù)據(jù)寫入到后端存儲(chǔ)中屿衅。
需要注意的是，在“write Miss”的情況下莹弊，我們采用的是“按寫分配”的方式涤久，也就是在寫入后端存儲(chǔ)的同時(shí)要寫入緩存，這樣我們?cè)谥蟮膶懻?qǐng)求中都只需要更新緩存即可，而無(wú)需更新后端存儲(chǔ)了。
如果使用Write Back策略的話单芜，讀的策略也有一些變化了。我們?cè)谧x取緩存時(shí)如果發(fā)現(xiàn)緩存命中則直接返回緩存數(shù)據(jù)蔗彤。如果不命中則尋找一個(gè)可用的緩存塊兒，如果這個(gè)緩存塊是“臟”的疯兼，就把緩存塊兒中之前的數(shù)據(jù)寫入到后端存儲(chǔ)中然遏，并且從后端存儲(chǔ)加載數(shù)據(jù)到緩存塊，如果不是臟的吧彪，則由緩存組件將后端存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)加載到緩存中待侵，最后我們將緩存設(shè)置為不是臟的，返回?cái)?shù)據(jù)就好了姨裸。
其實(shí)這種策略不能被應(yīng)用到我們常用的DB和緩存場(chǎng)景中诫给，它是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)，比如我們?cè)谙虼疟P中寫數(shù)據(jù)時(shí)采用的就是這種策略啦扬。
無(wú)論是操作系統(tǒng)層面的Page Cache，還是日志的異步刷盤凫碌，亦或是消息隊(duì)列中消息的異步寫入磁盤扑毡，大多采用了這種策略。因?yàn)檫@個(gè)策略在性能上的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑盛险，它避免了直接寫磁盤造成層的隨機(jī)寫問(wèn)題瞄摊，畢竟寫內(nèi)存和寫磁盤的隨機(jī)I/O的延遲相差了幾個(gè)數(shù)量級(jí)勋又。
但因?yàn)榫彺嬉话闶褂脙?nèi)存，而內(nèi)存是非持久化的换帜，所以一旦緩存機(jī)器掉電楔壤，就會(huì)造成原本緩存中的臟塊數(shù)據(jù)丟失。所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在掉電之后惯驼，之前寫入的文件會(huì)有部分丟失蹲嚣，就是因?yàn)镻age Cache還沒(méi)有來(lái)得及刷盤造成的。
當(dāng)然你依然可以在一些場(chǎng)景下使用這個(gè)策略祟牲，在使用時(shí)隙畜，建議是：在向低速設(shè)備寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以再內(nèi)存里先暫存一段時(shí)間的數(shù)據(jù)说贝，甚至做一些統(tǒng)計(jì)匯總议惰，然后定時(shí)的刷新到低速設(shè)備上。比如說(shuō)你在統(tǒng)計(jì)接口響應(yīng)時(shí)間的時(shí)候乡恕，需要將每次請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間打印到日志中言询，然后監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)日之后再做統(tǒng)計(jì)。但是如果每次請(qǐng)求都打印日志無(wú)疑會(huì)增加磁盤的I/O傲宜，那么不如把一段時(shí)間的響應(yīng)時(shí)間暫存起來(lái)运杭，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)平均耗時(shí)，每個(gè)耗時(shí)區(qū)間的請(qǐng)求數(shù)量等蛋哭，然后定時(shí)的批量打印到日志中县习。
內(nèi)容總結(jié)
1.Cache Aside是我們?cè)谑褂梅植际骄彺鏁r(shí)最常用的策略，可以在實(shí)際工作中直接拿來(lái)使用谆趾。
2.Read/Write Through和Write Back策略需要緩存組件的支持躁愿，所以比較適合在實(shí)現(xiàn)本地緩存組件的時(shí)候使用；
3.Write Back策略是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的策略沪蓬，不過(guò)寫入策略中的只寫緩存彤钟，異步寫入后端存儲(chǔ)的策略倒是有很多的應(yīng)用場(chǎng)景。
而且跷叉，你還需要了解逸雹，我們今天提到的策略都是標(biāo)準(zhǔn)的使用姿勢(shì)，在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)際的業(yè)務(wù)特點(diǎn)靈活使用甚至加以改造云挟。這些業(yè)務(wù)特點(diǎn)包括但不僅限于：整體的數(shù)量級(jí)情況梆砸，訪問(wèn)的讀寫比例的情況，對(duì)于數(shù)據(jù)的不一致時(shí)間的容忍度园欣，對(duì)于緩存命中率的要求等等帖世。理論結(jié)合實(shí)踐，具體肩況具體分析沸枯，你才能得到更好的解決方案
