前言

設(shè)計一個緩存系統(tǒng)，不得不考慮的問題就是：緩存穿透、緩存擊穿與失效時的雪崩效應(yīng)。

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緩存穿透

緩存穿透是指查詢一個一定不存在的數(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。在流量大時，可能DB就掛掉了，要是有人利用不存在的key頻繁攻擊我們的應(yīng)用，這就是漏洞。

解決方案

有很多種方法可以有效地解決緩存穿透問題，最常見的是采用布隆過濾器，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)果進行緩存，但它的過期時間會很短，最長不超過五分鐘。

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緩存雪崩

緩存雪崩是指在我們設(shè)置緩存時采用了相同的過期時間，導致緩存在某一時刻同時失效，請求全部轉(zhuǎn)發(fā)到DB，DB瞬時壓力過重導致雪崩。

解決方案

緩存失效時的雪崩效應(yīng)對底層系統(tǒng)的沖擊非常可怕。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計者考慮用加鎖或者隊列的方式保證緩存的單線程（進程）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。這里分享一個簡單方案，就是將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)上增加一個隨機值，比如1-5分鐘隨機，這樣每一個緩存的過期時間的重復率就會降低，就很難引發(fā)集體失效的事件。

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緩存擊穿

對于一些設(shè)置了過期時間的key，如果這些key可能會在某些時間點被超高并發(fā)地訪問，是一種非常“熱點”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，這個和緩存雪崩的區(qū)別在于這里針對某一key緩存，前者則是很多key。

緩存在某個時間點過期的時候，恰好在這個時間點對這個Key有大量的并發(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。

解決方案

我們的目標是：盡量少的線程構(gòu)建緩存(甚至是一個) + 數(shù)據(jù)一致性 + 較少的潛在危險，下面會介紹四種方法來解決這個問題：

1、使用互斥鎖(mutex key):

這種解決方案思路比較簡單，就是只讓一個線程構(gòu)建緩存，其他線程等待構(gòu)建緩存的線程執(zhí)行完，重新從緩存獲取數(shù)據(jù)就可以了（如下圖）

如果是單機，可以用synchronized或者lock來處理，如果是分布式環(huán)境可以用分布式鎖就可以了（分布式鎖，可以用memcache的add, redis的setnx, zookeeper的添加節(jié)點操作）。

下面是Tim yang博客的代碼，是memcache的偽代碼實現(xiàn)

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(); ?} ?}

如果換成redis，就是：

String get(String key) { ?String value = redis.get(key); ?if (value ?== null) { ?if (redis.setnx(key_mutex, "1")) { ?// 3 min timeout to avoid mutex holder crash ?redis.expire(key_mutex, 3 * 60) ?value = db.get(key); ?redis.set(key, value); ?redis.delete(key_mutex); ?} else { ?//其他線程休息50毫秒后重試 ?Thread.sleep(50); ?get(key); ?} ?} ?} ?

2、"提前"使用互斥鎖(mutex key)：

在value內(nèi)部設(shè)置1個超時值(timeout1), timeout1比實際的memcache timeout(timeout2)小。當從cache讀取到timeout1發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)過期時候，馬上延長timeout1并重新設(shè)置到cache。然后再從數(shù)據(jù)庫加載數(shù)據(jù)并設(shè)置到cache中。偽代碼如下：

v = memcache.get(key); ? if (v == null) { ?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(); ?} ? } else { ?if (v.timeout <= now()) { ?if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) { ?// extend the timeout for other threads ?v.timeout += 3 * 60 * 1000; ?memcache.set(key, v, KEY_TIMEOUT * 2); ?// load the latest value from db ?v = db.get(key); ?v.timeout = KEY_TIMEOUT; ?memcache.set(key, value, KEY_TIMEOUT * 2); ?memcache.delete(key_mutex); ?} else { ?sleep(50); ?retry(); ?} ?} ?} ?

3、"永遠不過期"：

這里的“永遠不過期”包含兩層意思：

1、從redis上看，確實沒有設(shè)置過期時間，這就保證了，不會出現(xiàn)熱點key過期問題，也就是“物理”不過期。

2、從功能上看，如果不過期，那不就成靜態(tài)的了嗎？所以我們把過期時間存在key對應(yīng)的value里，如果發(fā)現(xiàn)要過期了，通過一個后臺的異步線程進行緩存的構(gòu)建，也就是“邏輯”過期

從實戰(zhàn)看，這種方法對于性能非常友好，唯一不足的就是構(gòu)建緩存時候，其余線程(非構(gòu)建緩存的線程)可能訪問的是老數(shù)據(jù)，但是對于一般的互聯(lián)網(wǎng)功能來說這個還是可以忍受。

String get(final String key) { ?V v = redis.get(key); ?String value = v.getValue(); ?long timeout = v.getTimeout(); ?if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) { ?// 異步更新后臺異常執(zhí)行 ?threadPool.execute(new Runnable() { ?public void run() { ?String keyMutex = "mutex:" + key; ?if (redis.setnx(keyMutex, "1")) { ?// 3 min timeout to avoid mutex holder crash ?redis.expire(keyMutex, 3 * 60); ?String dbValue = db.get(key); ?redis.set(key, dbValue); ?redis.delete(keyMutex); ?} ?} ?}); ?} ?return value; ?} ?

4、資源保護：

之前在緩存雪崩那篇文章提到了netflix的hystrix，可以做資源的隔離保護主線程池，如果把這個應(yīng)用到緩存的構(gòu)建也未嘗不可。

三、四種方案對比：

作為一個并發(fā)量較大的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，我們的目標有3個: 1、加快用戶訪問速度，提高用戶體驗。 2、降低后端負載，保證系統(tǒng)平穩(wěn)。 3、保證數(shù)據(jù)“盡可能”及時更新(要不要完全一致，取決于業(yè)務(wù)，而不是技術(shù)。)

所以第二節(jié)中提到的四種方法，可以做如下比較，還是那就話：沒有最好，只有最合適。

解決方案

一、簡單分布式鎖(Tim yang)

優(yōu)點

1、思路簡單

2、保證一致性

缺點

1、代碼復雜度增大

2、存在死鎖的風險

3、存在線程池阻塞的風險

二、加另外一個過期時間(Tim yang)

優(yōu)點

1、保證一致性

缺點

1、代碼復雜度增大

2、存在死鎖的風險

3、存在線程池阻塞的風險

三、不過期(本文)

優(yōu)點

1、異步構(gòu)建緩存，不會阻塞線程池

缺點

1、不保證一致性。

2、代碼復雜度增大(每個value都要維護一個timekey)。

3、占用一定的內(nèi)存空間(每個value都要維護一個timekey)。

四、不過期(本文)

優(yōu)點

1、hystrix技術(shù)成熟，有效保證后端。

2、hystrix監(jiān)控強大。

缺點

1、部分訪問存在降級策略。

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總結(jié)

熱點key + 過期時間 + 復雜的構(gòu)建緩存過程 => mutex key問題 構(gòu)建緩存一個線程做就可以了。 四種解決方案：沒有最佳只有最合適。

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出處：https://dwz.cn/E17vTJXl

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的面试必备：缓存穿透，缓存雪崩的四种解决方案的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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