一娱颊、前言
在我們?nèi)粘５拈_發(fā)中傲诵，無不都是使用數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，由于一般的系統(tǒng)任務(wù)中通常不會存在高并發(fā)的情況箱硕，所以這樣看起來并沒有什么問題拴竹，可是一旦涉及大數(shù)據(jù)量的需求，比如一些商品搶購的情景剧罩，或者是主頁訪問量瞬間較大的時(shí)候栓拜，單一使用數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)的系統(tǒng)會因?yàn)槊嫦虼疟P，磁盤讀/寫速度比較慢的問題而存在嚴(yán)重的性能弊端惠昔，一瞬間成千上萬的請求到來幕与，需要系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)完成成千上萬次的讀/寫操作，這個(gè)時(shí)候往往不是數(shù)據(jù)庫能夠承受的镇防，極其容易造成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)癱瘓啦鸣，最終導(dǎo)致服務(wù)宕機(jī)的嚴(yán)重生產(chǎn)問題。
為了克服上述的問題来氧，項(xiàng)目通常會引入NoSQL技術(shù)诫给，這是一種基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫，并且提供一定的持久化功能啦扬。
redis技術(shù)就是NoSQL技術(shù)中的一種中狂，但是引入redis又有可能出現(xiàn)緩存穿透，緩存擊穿扑毡，緩存雪崩等問題胃榕。本文就對這三種問題進(jìn)行較深入剖析。
二僚楞、初認(rèn)識
- 緩存穿透：key對應(yīng)的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)源并不存在勤晚，每次針對此key的請求從緩存獲取不到，請求都會到數(shù)據(jù)源泉褐，從而可能壓垮數(shù)據(jù)源赐写。比如用一個(gè)不存在的用戶id獲取用戶信息，不論緩存還是數(shù)據(jù)庫都沒有膜赃，若黑客利用此漏洞進(jìn)行攻擊可能壓垮數(shù)據(jù)庫挺邀。
- 緩存擊穿：key對應(yīng)的數(shù)據(jù)存在，但在redis中過期，此時(shí)若有大量并發(fā)請求過來端铛，這些請求發(fā)現(xiàn)緩存過期一般都會從后端DB加載數(shù)據(jù)并回設(shè)到緩存泣矛，這個(gè)時(shí)候大并發(fā)的請求可能會瞬間把后端DB壓垮。
- 緩存雪崩：當(dāng)緩存服務(wù)器重啟或者大量緩存集中在某一個(gè)時(shí)間段失效禾蚕，這樣在失效的時(shí)候您朽，也會給后端系統(tǒng)(比如DB)帶來很大壓力。
三换淆、緩存穿透解決方案
一個(gè)一定不存在緩存及查詢不到的數(shù)據(jù)哗总，由于緩存是不命中時(shí)被動寫的，并且出于容錯(cuò)考慮倍试，如果從存儲層查不到數(shù)據(jù)則不寫入緩存讯屈，這將導(dǎo)致這個(gè)不存在的數(shù)據(jù)每次請求都要到存儲層去查詢，失去了緩存的意義县习。
有很多種方法可以有效地解決緩存穿透問題涮母，最常見的則是采用布隆過濾器，將所有可能存在的數(shù)據(jù)哈希到一個(gè)足夠大的bitmap中躁愿，一個(gè)一定不存在的數(shù)據(jù)會被 這個(gè)bitmap攔截掉叛本，從而避免了對底層存儲系統(tǒng)的查詢壓力。另外也有一個(gè)更為簡單粗暴的方法（我們采用的就是這種）攘已，如果一個(gè)查詢返回的數(shù)據(jù)為空（不管是數(shù)據(jù)不存在炮赦，還是系統(tǒng)故障），我們?nèi)匀话堰@個(gè)空結(jié)果進(jìn)行緩存样勃，但它的過期時(shí)間會很短，最長不超過五分鐘性芬。
粗暴方式偽代碼：
//偽代碼
public object GetProductListNew() {
int cacheTime = 30;
String cacheKey = "product_list";
String cacheValue = CacheHelper.Get(cacheKey);
if (cacheValue != null) {
return cacheValue;
}
cacheValue = CacheHelper.Get(cacheKey);
if (cacheValue != null) {
return cacheValue;
} else {
//數(shù)據(jù)庫查詢不到峡眶，為空
cacheValue = GetProductListFromDB();
if (cacheValue == null) {
//如果發(fā)現(xiàn)為空，設(shè)置個(gè)默認(rèn)值植锉，也緩存起來
cacheValue = string.Empty;
}
CacheHelper.Add(cacheKey, cacheValue, cacheTime);
return cacheValue;
}
}
四辫樱、緩存擊穿解決方案
key可能會在某些時(shí)間點(diǎn)被超高并發(fā)地訪問，是一種非晨”樱“熱點(diǎn)”的數(shù)據(jù)狮暑。這個(gè)時(shí)候，需要考慮一個(gè)問題：緩存被“擊穿”的問題辉饱。
使用互斥鎖(mutex key)
業(yè)界比較常用的做法搬男，是使用mutex。簡單地來說彭沼，就是在緩存失效的時(shí)候（判斷拿出來的值為空）缔逛，不是立即去load db，而是先使用緩存工具的某些帶成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者M(jìn)emcache的ADD）去set一個(gè)mutex key，當(dāng)操作返回成功時(shí)褐奴，再進(jìn)行l(wèi)oad db的操作并回設(shè)緩存按脚；否則，就重試整個(gè)get緩存的方法敦冬。
SETNX辅搬，是「SET if Not eXists」的縮寫，也就是只有不存在的時(shí)候才設(shè)置脖旱，可以利用它來實(shí)現(xiàn)鎖的效果堪遂。
public String get(key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) { //代表緩存值過期
//設(shè)置3min的超時(shí)，防止del操作失敗的時(shí)候夯缺，下次緩存過期一直不能load db
if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) { //代表設(shè)置成功
value = db.get(key);
redis.set(key, value, expire_secs);
redis.del(key_mutex);
} else { //這個(gè)時(shí)候代表同時(shí)候的其他線程已經(jīng)load db并回設(shè)到緩存了蚤氏，這時(shí)候重試獲取緩存值即可
sleep(50);
get(key); //重試
}
} else {
return value;
}
}
memcache代碼：
if (memcache.get(key) == null) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
value = db.get(key);
memcache.set(key, value);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
}
其它方案：待各位補(bǔ)充。
五踊兜、緩存雪崩解決方案
與緩存擊穿的區(qū)別在于這里針對很多key緩存竿滨，前者則是某一個(gè)key。
緩存正常從Redis中獲取捏境，示意圖如下：
緩存失效瞬間示意圖如下：
緩存失效時(shí)的雪崩效應(yīng)對底層系統(tǒng)的沖擊非秤谟危可怕！大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者考慮用加鎖或者隊(duì)列的方式保證來保證不會有大量的線程對數(shù)據(jù)庫一次性進(jìn)行讀寫垫言，從而避免失效時(shí)大量的并發(fā)請求落到底層存儲系統(tǒng)上贰剥。還有一個(gè)簡單方案就時(shí)講緩存失效時(shí)間分散開，比如我們可以在原有的失效時(shí)間基礎(chǔ)上增加一個(gè)隨機(jī)值筷频，比如1-5分鐘隨機(jī)蚌成，這樣每一個(gè)緩存的過期時(shí)間的重復(fù)率就會降低，就很難引發(fā)集體失效的事件凛捏。
加鎖排隊(duì)担忧，偽代碼如下：
//偽代碼
public object GetProductListNew() {
int cacheTime = 30;
String cacheKey = "product_list";
String lockKey = cacheKey;
String cacheValue = CacheHelper.get(cacheKey);
if (cacheValue != null) {
return cacheValue;
} else {
synchronized(lockKey) {
cacheValue = CacheHelper.get(cacheKey);
if (cacheValue != null) {
return cacheValue;
} else {
//這里一般是sql查詢數(shù)據(jù)
cacheValue = GetProductListFromDB();
CacheHelper.Add(cacheKey, cacheValue, cacheTime);
}
}
return cacheValue;
}
}
加鎖排隊(duì)只是為了減輕數(shù)據(jù)庫的壓力，并沒有提高系統(tǒng)吞吐量坯癣。假設(shè)在高并發(fā)下瓶盛，緩存重建期間key是鎖著的，這是過來1000個(gè)請求999個(gè)都在阻塞的示罗。同樣會導(dǎo)致用戶等待超時(shí)惩猫，這是個(gè)治標(biāo)不治本的方法！
注意：加鎖排隊(duì)的解決方式分布式環(huán)境的并發(fā)問題蚜点，有可能還要解決分布式鎖的問題轧房；線程還會被阻塞，用戶體驗(yàn)很差禽额！因此锯厢，在真正的高并發(fā)場景下很少使用皮官！
隨機(jī)值偽代碼：
//偽代碼
public object GetProductListNew() {
int cacheTime = 30;
String cacheKey = "product_list";
//緩存標(biāo)記
String cacheSign = cacheKey + "_sign";
String sign = CacheHelper.Get(cacheSign);
//獲取緩存值
String cacheValue = CacheHelper.Get(cacheKey);
if (sign != null) {
return cacheValue; //未過期，直接返回
} else {
CacheHelper.Add(cacheSign, "1", cacheTime);
ThreadPool.QueueUserWorkItem((arg) -> {
//這里一般是 sql查詢數(shù)據(jù)
cacheValue = GetProductListFromDB();
//日期設(shè)緩存時(shí)間的2倍实辑，用于臟讀
CacheHelper.Add(cacheKey, cacheValue, cacheTime * 2);
});
return cacheValue;
}
}
解釋說明：
- 緩存標(biāo)記：記錄緩存數(shù)據(jù)是否過期捺氢，如果過期會觸發(fā)通知另外的線程在后臺去更新實(shí)際key的緩存；
- 緩存數(shù)據(jù)：它的過期時(shí)間比緩存標(biāo)記的時(shí)間延長1倍剪撬，例：標(biāo)記緩存時(shí)間30分鐘摄乒，數(shù)據(jù)緩存設(shè)置為60分鐘。這樣残黑，當(dāng)緩存標(biāo)記key過期后馍佑，實(shí)際緩存還能把舊數(shù)據(jù)返回給調(diào)用端，直到另外的線程在后臺更新完成后梨水，才會返回新緩存拭荤。
關(guān)于緩存崩潰的解決方法，這里提出了三種方案：使用鎖或隊(duì)列疫诽、設(shè)置過期標(biāo)志更新緩存舅世、為key設(shè)置不同的緩存失效時(shí)間，還有一種被稱為“二級緩存”的解決方法奇徒。
六雏亚、小結(jié)
針對業(yè)務(wù)系統(tǒng)，永遠(yuǎn)都是具體情況具體分析摩钙，沒有最好罢低，只有最合適。
于緩存其它問題胖笛，緩存滿了和數(shù)據(jù)丟失等問題网持，大伙可自行學(xué)習(xí)。最后也提一下三個(gè)詞LRU长踊、RDB翎碑、AOF，通常我們采用LRU策略處理溢出之斯，Redis的RDB和AOF持久化策略來保證一定情況下的數(shù)據(jù)安全。
參考相關(guān)鏈接：
https://blog.csdn.net/zeb_perfect/article/details/54135506
https://blog.csdn.net/fanrenxiang/article/details/80542580
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1619572269435584821&wfr=spider&for=pc
https://blog.csdn.net/xlgen157387/article/details/79530877
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