redis緩存穿透，緩存擊穿，緩存雪崩原因+解決方案

###一、前言
在我們?nèi)粘５拈_發(fā)中，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，所以這樣看起來并沒有什么問題，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，或者是主頁訪問量瞬間較大的時候，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，一瞬間成千上萬的請求到來，需要系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)完成成千上萬次的讀/寫操作，這個時候往往不是數(shù)據(jù)庫能夠承受的，極其容易造成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)癱瘓，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，項(xiàng)目通常會引入NoSQL技術(shù)，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。

redis技術(shù)就是NoSQL技術(shù)中的一種，但是引入redis又有可能出現(xiàn)緩存穿透，緩存擊穿，緩存雪崩等問題。本文就對這三種問題進(jìn)行較深入剖析。

###二、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，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，從而可能壓垮數(shù)據(jù)源。比如用一個不存在的用戶id獲取用戶信息，不論緩存還是數(shù)據(jù)庫都沒有，若***利用此漏洞進(jìn)行***可能壓垮數(shù)據(jù)庫。
• 緩存擊穿：key對應(yīng)的數(shù)據(jù)存在，但在redis中過期，此時若有大量并發(fā)請求過來，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，這個時候大并發(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時間段失效，這樣在失效的時候，也會給后端系統(tǒng)(比如DB)帶來很大壓力。

###三、緩存穿透解決方案
一個一定不存在緩存及查詢不到的數(shù)據(jù)，由于緩存是不命中時被動寫的，并且出于容錯考慮，如果從存儲層查不到數(shù)據(jù)則不寫入緩存，這將導(dǎo)致這個不存在的數(shù)據(jù)每次請求都要到存儲層去查詢，失去了緩存的意義。

有很多種方法可以有效地解決緩存穿透問題，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)哈希到一個足夠大的bitmap中，一個一定不存在的數(shù)據(jù)會被 這個bitmap攔截掉，從而避免了對底層存儲系統(tǒng)的查詢壓力。另外也有一個更為簡單粗暴的方法（我們采用的就是這種），如果一個查詢返回的數(shù)據(jù)為空（不管是數(shù)據(jù)不存在，還是系統(tǒng)故障），我們?nèi)匀话堰@個空結(jié)果進(jìn)行緩存，但它的過期時間會很短，最長不超過五分鐘。

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，為空
        cacheValue = GetProductListFromDB();
        if (cacheValue == null) {
            //如果發(fā)現(xiàn)為空，設(shè)置個默認(rèn)值，也緩存起來
            cacheValue = string.Empty;
        }
        CacheHelper.Add(cacheKey, cacheValue, cacheTime);
        return cacheValue;
    }
}

###四、緩存擊穿解決方案

key可能會在某些時間點(diǎn)被超高并發(fā)地訪問，是一種非?！盁狳c(diǎn)”的數(shù)據(jù)。這個時候，需要考慮一個問題：緩存被“擊穿”的問題。

使用互斥鎖(mutex key)

業(yè)界比較常用的做法，是使用mutex。簡單地來說，就是在緩存失效的時候（判斷拿出來的值為空），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mutex key，當(dāng)操作返回成功時，再進(jìn)行l(wèi)oad db的操作并回設(shè)緩存；否則，就重試整個get緩存的方法。

SETNX，是「SET if Not eXists」的縮寫，也就是只有不存在的時候才設(shè)置，可以利用它來實(shí)現(xiàn)鎖的效果。

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，防止del操作失敗的時候，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 {  //這個時候代表同時候的其他線程已經(jīng)load db并回設(shè)到緩存了，這時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、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，前者則是某一個key。

緩存正常從Redis中獲取，示意圖如下：

緩存失效瞬間示意圖如下：

緩存失效時的雪崩效應(yīng)對底層系統(tǒng)的沖擊非?？膳拢〈蠖鄶?shù)系統(tǒng)設(shè)計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，從而避免失效時大量的并發(fā)請求落到底層存儲系統(tǒng)上。還有一個簡單方案就時講緩存失效時間分散開，比如我們可以在原有的失效時間基礎(chǔ)上增加一個隨機(jī)值，比如1-5分鐘隨機(jī)，這樣每一個緩存的過期時間的重復(fù)率就會降低，就很難引發(fā)集體失效的事件。

加鎖排隊(duì)，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。假設(shè)在高并發(fā)下，緩存重建期間key是鎖著的，這是過來1000個請求999個都在阻塞的。同樣會導(dǎo)致用戶等待超時，這是個治標(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，有可能還要解決分布式鎖的問題；線程還會被阻塞，用戶體驗(yàn)很差！因此，在真正的高并發(fā)場景下很少使用！

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)緩存時間的2倍，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，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)：它的過期時間比緩存標(biāo)記的時間延長1倍，例：標(biāo)記緩存時間30分鐘，數(shù)據(jù)緩存設(shè)置為60分鐘。這樣，當(dāng)緩存標(biāo)記key過期后，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，才會返回新緩存。

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、設(shè)置過期標(biāo)志更新緩存、為key設(shè)置不同的緩存失效時間，還有一種被稱為“二級緩存”的解決方法。

##六、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，沒有最好，只有最合適。

于緩存其它問題，緩存滿了和數(shù)據(jù)丟失等問題，大伙可自行學(xué)習(xí)。最后也提一下三個詞LRU、RDB、AOF，通常我們采用LRU策略處理溢出，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

視頻資源獲取，可直進(jìn)百度云群：

https://pan.baidu.com/mbox/homepage?short=btNBJoN

本文在米兜公眾號鏈接

https://mp.weixin.qq.com/s/ksVC1049wZgPIOy2gGziNA

歡迎關(guān)注米兜Java，一個注在共享、交流的Java學(xué)習(xí)平臺。