缓存一致性策略以及雪崩、穿透问题 【零壹技术栈】

一. 缓存原理

高并发情境下首先考虑到的第一层优化方案就是增加缓存，尤其是通过Redis将原本在数据库中的数据复制一份放到内存中，可以减少对数据库的读操作，数据库的压力降低，同时也会加快系统的响应速度，但是同样的也会带来其他的问题，比如需要考虑数据的一致性、还需要预防可能的缓存击穿、穿透和雪崩问题等等。

1. 实现步骤

先查询缓存中有没有要的数据，如果有，就直接返回缓存中的数据。如果缓存中没有要的数据，才去查询数据库，将得到数据更新到缓存再返回，如果数据库中也没有就可以返回空。

考虑数据一致性，缓存处的代码逻辑都较为标准化，首先取Redis，击中则返回，未击中则通过数据库来进行查询和同步。

  1. public Result query(String id) {

  2. Result result = null;

  3. //1.从Redis缓存中取数据

  4. result = (Result)redisTemplate.opsForValue().get(id);

  5. if (null != result){

  6. System.out.println("缓存中得到数据");

  7. return result;

  8. }

  9. //2.通过DB查询，有则同步更新redis，否则返回空

  10. System.out.println("数据库中得到数据");

  11. result = Dao.query(id);

  12. if (null != result){

  13. redisTemplate.opsForValue().set(id,result);

  14. redisTemplate.expire(id,20000, TimeUnit.MILLISECONDS);

  15. }

  16. return result;

  17. }

其他的新增、删除和更新操作，可以直接采用先清空该Key下的缓存值再进行DB操作，这样逻辑清晰简单，维护的复杂度会降低，而付出代价就是多查询一次。

  1. public void update(Entity entity) {

  2. redisTemplate.delete(entity.getId());

  3. Dao.update(entity);

  4. return entity;

  5. }

  7. public Entity add(Entity entity) {

  8. redisTemplate.delete(entity.getId());

  9. Dao.insert(entity);

  10. return entity;

  11. }

2. 缓存更新策略

适用于做缓存的场景一般都是：访问频繁、读场景较多而写场景少、对数据一致性要求不高。如果上面三个条件都不符合，那维护一套缓存数据的意义并不大了，实际应用中通常都需要针对业务场景来选择合适的缓存方案，下面给出了四种缓存策略，由上到下就是按照一致性由强到弱的顺序。

更新策略特点适用场景
实时更新 同步更新保证强一致性，与业务强侵入强耦合 金融转账业务等
弱实时 异步更新（MQ/发布订阅/观察者模式），业务解耦，弱一致性存在延迟 不适合写频繁场景
失效机制 设置缓存失效，有一定延迟，可能存在雪崩 适用读多写少，能接受一定的延时
任务调度 通过定时任务进行全量更新 统计类业务，访问频繁且定期更新

二. 缓存雪崩和击穿

1. 缓存雪崩概念

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重雪崩。和缓存击穿不同的是，缓存击穿指并发查同一条数据，缓存雪崩是不同数据都过期了，很多数据都查不到从而查数据库。

解决方案

  1. 将缓存失效时间分散开，比如我们可以在原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。

  2. 用加锁或者队列的方式保证缓存的单线程（进程）写，从而避免失效时大量的并发请求落到底层存储系统上。

第一种方案比较容易实现，第二种的思路主要是从加阻塞式的排它锁来实现，在缓存查询不到的情况下，每此只允许一个线程去查询DB，这样可避免同一个ID的大量并发请求都落到数据库中。

  1. public Result query(String id) {

  2. // 1.从缓存中取数据

  3. Result result = null;

  4. result = (Result)redisTemplate.opsForValue().get(id);

  5. if (result ! = null) {

  6. logger.info("缓存中得到数据");

  7. return result;

  8. }

  10. //2.加锁排队，阻塞式锁

  11. doLock(id);//多少个id就可能有多少把锁

  12. try{

  13. //一次只有一个线程

  14. //双重校验，第一次获取到后面的都可以从缓存中直接击中

  15. result = (Result)redisTemplate.opsForValue().get(id);

  16. if (result != null) {

  17. logger.info("缓存中得到数据");

  18. return result;//第二个线程，这里返回

  19. }

  21. result = dao.query(id);

  22. // 3.从数据库查询的结果不为空，则把数据放入缓存中，方便下次查询

  23. if (null != result) {

  24. redisTemplate.opsForValue().set(id,result);

  25. redisTemplate.expire(id,20000, TimeUnit.MILLISECONDS);

  26. }

  27. return provinces;

  28. } catch(Exception e) {

  29. return null;

  30. } finally {

  31. //4.解锁

  32. releaseLock(provinceid);

  33. }

  34. }

  36. private void releaseLock(String userCode) {

  37. ReentrantLock oldLock = (ReentrantLock) locks.get(userCode);

  38. if(oldLock !=null && oldLock.isHeldByCurrentThread()){

  39. oldLock.unlock();

  40. }

  41. }

  43. private void doLock(String lockcode) {

  44. //id有不同的值

  45. //id相同的，加一个锁，不是同一个key，不能用同一个锁

  46. ReentrantLock newLock = new ReentrantLock();//创建一个锁

  47. //若已存在，则newLock直接丢弃

  48. Lock oldLock = locks.putIfAbsent(lockcode, newLock);

  49. if(oldLock == null){

  50. newLock.lock();

  51. }else{

  52. oldLock.lock();

  53. }

  54. }

注意：加锁排队的解决方式在处理分布式环境的并发问题，有可能还要解决分布式锁的问题；线程还会被阻塞，用户体验很差！因此，在真正的高并发场景下很少使用！

2. 缓存击穿概念

一个存在的key，在缓存过期的一刻，同时有大量的请求，这些请求都会击穿到DB，造成瞬时DB请求量大、压力骤增。

解决方案

在访问key之前，采用SETNX（set if not exists）来设置另一个短期key来锁住当前key的访问，访问结束再删除该短期key。

三. 缓存穿透

1. 缓存穿透概念

缓存穿透是指缓存和数据库中都没有的数据，而用户不断发起请求，如发起为id为“-1”的数据或id为特别大不存在的数据。这时的用户很可能是攻击者，攻击会导致数据库压力过大。

解决方案：布隆过滤器

布隆过滤器的使用方法，类似java的SET集合，用来判断某个元素（key）是否在某个集合中。和一般的hash set不同的是，这个算法无需存储key的值，对于每个key，只需要k个比特位，每个存储一个标志，用来判断key是否在集合中。

使用步骤：

  • 将List数据装载入布隆过滤器中

  1. private BloomFilter<String> bf =null;

  3. //PostConstruct注解对象创建后，自动调用本方法

  4. @PostConstruct

  5. public void init(){

  6. //在bean初始化完成后，实例化bloomFilter，并加载数据

  7. List<Entity> entities= initList();

  8. //初始化布隆过滤器

  9. bf = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charsets.UTF_8), entities.size());

  10. for (Entity entity : entities) {

  11. bf.put(entity.getId());

  12. }

  13. }

  • 访问经过布隆过滤器，存在才可以往db中查询

  1. public Provinces query(String id) {

  2. //先判断布隆过滤器中是否存在该值，值存在才允许访问缓存和数据库

  3. if(!bf.mightContain(id)) {

  4. Log.info("非法访问"+System.currentTimeMillis());

  5. return null;

  6. }

  7. Log.info("数据库中得到数据"+System.currentTimeMillis());

  8. Entity entity= super.query(id);

  9. return entity;

  10. }

这样当外界有恶意攻击时，不存在的数据请求就可以直接拦截在过滤器层，而不会影响到底层数据库系统。

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