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一、緩存雪崩

1. 什么是緩存雪崩？

緩存雪崩是指大量的請(qǐng)求無(wú)法命中Redis中的緩存數(shù)據(jù)，也就是在Redis找不到數(shù)據(jù)了，那業(yè)務(wù)系統(tǒng)只能到數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢，進(jìn)而導(dǎo)致所有的請(qǐng)求都發(fā)送到了數(shù)據(jù)庫(kù)。如下圖所示：

數(shù)據(jù)庫(kù)并不像Redis能處理大量請(qǐng)求，由緩存雪崩導(dǎo)致的請(qǐng)求激增必須會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)所在宕機(jī)，這樣勢(shì)必會(huì)影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)，所以如果發(fā)生緩存雪崩，對(duì)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)肯定是致命的。

2. 為什么發(fā)會(huì)生緩存雪崩？

什么情況下出現(xiàn)緩存雪崩呢？總結(jié)起來(lái)有以下兩個(gè)方面的原因：

• 大量Redis緩存數(shù)據(jù)同時(shí)過(guò)期，導(dǎo)致所有的發(fā)送到Redis請(qǐng)求都無(wú)法命中數(shù)據(jù)，只能到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行查詢。

• Redis服務(wù)器宕機(jī)，所有請(qǐng)求都無(wú)法經(jīng)Redis來(lái)處理，只能轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)庫(kù)查詢數(shù)據(jù)。

3. 如何避免緩存雪崩？

針對(duì)導(dǎo)致緩存雪崩的原因，有不同的解決方法：

• 針對(duì)大量緩存隨機(jī)過(guò)期時(shí)間，解決方法就是在原始過(guò)期時(shí)間的基礎(chǔ)上，再加一個(gè)隨機(jī)過(guò)期時(shí)間，比如1到5分鐘之間的隨機(jī)過(guò)期時(shí)間，這樣可以避免大量的緩存數(shù)據(jù)在同一時(shí)間過(guò)期。

• 而針對(duì)Redis解決宕機(jī)的導(dǎo)致的緩存雪崩，可以提前搭建好Redis的主從服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，并配置哨兵機(jī)制，這樣在Redis服務(wù)器因?yàn)殄礄C(jī)而無(wú)法提供服務(wù)時(shí)，可以由哨兵將Redis從服務(wù)器設(shè)置為主服務(wù)器，繼續(xù)提供服務(wù)。

二、緩存擊穿

1. 什么是緩存擊穿

緩存擊穿與緩存雪崩的情況相似，雪崩是因?yàn)榇罅康臄?shù)據(jù)過(guò)期，而緩存擊穿則是指熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)期，所有針對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求都需要到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行處理，如下圖所示：

2. 怎么避免緩存擊穿？

解決緩存擊穿的三種方式：

• 不設(shè)置過(guò)期時(shí)間

如果我們能提前知道某個(gè)數(shù)據(jù)是熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，那么就可以不設(shè)置這些數(shù)據(jù)的過(guò)期，從而避免緩存擊穿問(wèn)題，比如一些秒殺活動(dòng)的商品，在秒殺時(shí)會(huì)大量用戶訪問(wèn)，這時(shí)候我們就可以將這些用于秒殺的商品數(shù)據(jù)提前寫(xiě)入緩存并且不設(shè)置過(guò)期時(shí)間。

• 互斥鎖

提前知道某些數(shù)據(jù)會(huì)有大量訪問(wèn)，我們當(dāng)然可以設(shè)置不過(guò)期，但更多時(shí)候，我們并不能提前預(yù)知，這種情況要怎么處理呢？

我們來(lái)分析一下緩存擊穿的情況：

正常情況下，當(dāng)某個(gè)Redis緩存數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)，如果有對(duì)該數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，則重新到數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢并再寫(xiě)入緩存，讓后續(xù)的請(qǐng)求可以命中該緩存而無(wú)須再去數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢。

而熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)，由于大量請(qǐng)求，當(dāng)某個(gè)請(qǐng)求無(wú)法命中緩存時(shí)，會(huì)去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并重新把數(shù)據(jù)寫(xiě)入Redis，也就是在寫(xiě)入Redis之前，其他請(qǐng)求進(jìn)來(lái)，也會(huì)去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)。

好了，我們知道熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)期后，很多請(qǐng)求會(huì)去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，那么我們可以給去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的業(yè)務(wù)邏輯加個(gè)互斥鎖，只有獲得鎖的請(qǐng)求才能去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并把數(shù)據(jù)寫(xiě)回Redis，而其他沒(méi)有獲得鎖的請(qǐng)求只能等待數(shù)據(jù)就緒。

上述步驟的如下圖所示：

• 設(shè)置邏輯過(guò)期時(shí)間

使用互斥鎖雖然可以非常簡(jiǎn)單地解決緩存擊穿問(wèn)題，但沒(méi)有獲得鎖的請(qǐng)求雖然排隊(duì)等待，這樣影響了系統(tǒng)的性能，還有另一種解決緩存擊穿的方法就是在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)冗余一個(gè)過(guò)期時(shí)間，比如下面的數(shù)據(jù)中我們?cè)黾恿?code>expire_at字段用于表示數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)間。

{"name":"test","expire_at":"1599999999"}復(fù)制代碼

這種方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖所示：

緩存中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)中冗余一個(gè)邏輯過(guò)期時(shí)間，但數(shù)據(jù)在Redis不設(shè)置過(guò)期時(shí)間

當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求拿到Redis中的數(shù)據(jù)時(shí)，判斷邏輯過(guò)期時(shí)間是否到期，如果沒(méi)有到期，直接返回，如果到期則開(kāi)啟另一個(gè)線程獲得鎖后去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并將查詢的最新數(shù)據(jù)寫(xiě)回Redis，而當(dāng)前請(qǐng)求返回已經(jīng)查詢的數(shù)據(jù)。

三、緩存穿透

1. 什么是緩存穿透

緩存穿透是指要查找的數(shù)據(jù)既不在緩存當(dāng)中，也不在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因?yàn)椴辉诰彺嬷?，所以?qǐng)求一定會(huì)到達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，Redis緩存形同虛設(shè)，如下圖所示：

2. 為什么會(huì)發(fā)生緩存穿透

什么條件下會(huì)發(fā)生緩存穿透呢？主要有以下三種情況：

• 用戶惡意攻擊請(qǐng)求

• 誤操作把Redis和數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)刪除了

• 用戶還未產(chǎn)生內(nèi)容時(shí)，比如用戶的文章列表，用戶還未寫(xiě)文章，所以緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)都沒(méi)有數(shù)據(jù)

3. 如何避免緩存穿透？

a. 緩存空值或缺省值

當(dāng)在Redis緩存中查詢不到數(shù)據(jù)時(shí)，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)查詢，如果同樣沒(méi)有數(shù)據(jù)，就直接緩存一個(gè)空間或缺省值，這樣可以避免下次再去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)；不過(guò)為了防止之后已經(jīng)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，再返回空值問(wèn)題，應(yīng)該為緩存設(shè)置過(guò)期時(shí)間，或者在產(chǎn)生數(shù)據(jù)時(shí)直接清除對(duì)應(yīng)的緩存空值。

b. 布隆過(guò)濾器

雖然緩存空值可以解決緩存穿透問(wèn)題，但仍然需要查詢一次數(shù)據(jù)庫(kù)才能確定是否有數(shù)據(jù)，如果有用戶惡意攻擊，高并發(fā)地使用系統(tǒng)不存在的數(shù)據(jù)id進(jìn)行查詢，所有的查詢都要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣仍然會(huì)給數(shù)據(jù)庫(kù)帶來(lái)很大的壓力。

所以，有沒(méi)有不用查詢數(shù)據(jù)庫(kù)就能確定數(shù)據(jù)是否存在的辦法呢？有的，用布隆過(guò)濾器。

布隆過(guò)濾器主要是兩個(gè)部分：bit數(shù)組+N個(gè)哈希函數(shù)，其原理為：

• 使用N個(gè)哈希函數(shù)對(duì)所要標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希值計(jì)算。

• 將計(jì)算到的哈希值對(duì)bit數(shù)組的長(zhǎng)度取模，這樣可以得到每個(gè)哈希值在bit數(shù)組的位置。

• 把bit數(shù)組中對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)記為1。

下面是布隆過(guò)濾器原理示意圖：

當(dāng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，執(zhí)行述述步驟，計(jì)算對(duì)應(yīng)bit數(shù)組位置并標(biāo)識(shí)為1，那么在執(zhí)行查詢時(shí)，就能查詢?cè)摂?shù)據(jù)是否存在了。

另外，由于哈希碰撞問(wèn)題導(dǎo)致的誤差，所以不存在的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)布隆過(guò)濾器后，會(huì)被判定為存在，再去查數(shù)據(jù)庫(kù)，不過(guò)哈希碰到的概率很小，用布隆過(guò)濾器已經(jīng)能幫我們攔截大部分的穿透請(qǐng)求了。

Redis本身就支持布隆過(guò)濾器，所以我們可以直接使用Redis布隆過(guò)濾器，而不用自己去實(shí)現(xiàn)，非常方便。

四、小結(jié)

緩存的雪崩、擊穿、穿透是在業(yè)務(wù)應(yīng)用緩存時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到的緩存異常問(wèn)題，其原因與解決方法如以下表示所示：

問(wèn)題	原因	解決方法
緩存雪崩	大量數(shù)據(jù)過(guò)期或Redis服務(wù)器宕機(jī)	1. 隨機(jī)過(guò)期時(shí)間  2. 主從+哨兵的集群
緩存擊穿	熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)期	1. 不設(shè)置過(guò)期時(shí)間 2. 加互斥鎖 3. 冗余邏輯過(guò)期時(shí)間
緩存穿透	請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫(kù)和Redis都沒(méi)有的數(shù)據(jù)	1. 緩存空值或缺省值 2. 布隆過(guò)濾器

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