redis-缓存穿透,缓存雪崩,缓存击穿,并发竞争

目录

• 缓存穿透
  • 定义
  • 解决方案
    • 利用互斥锁
    • 采用异步更新策略
    • 使用布隆过滤器
    • 空置缓存
• 缓存雪崩
  • 定义
  • 解决方案
    • 给缓存的加一个随机失效时间
    • 使用互斥锁
    • 双缓存策略
• 缓存击穿
  • 定义
  • 解决方案
    • 使用互斥锁
    • "提前"使用互斥锁
    • "永远不过期"
    • 资源保护
    • 二级缓存
• Redis 的并发竞争 Key 问题
  • 如果对这个 Key 操作，不要求顺序
  • 如果对这个 Key 操作，要求顺序
• 缓存预热
• 缓存热备

缓存穿透

定义

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，因为缓存中也无该数据的信息，则会直接去数据库层进行查询，从系统层面来看像是穿透了缓存层直接达到db，从而称为缓存穿透，没有了缓存层的保护，这种查询一定不存在的数据对系统来说可能是一种危险，如果有人恶意用这种一定不存在的数据来频繁请求系统，不，准确的说是攻击系统，请求都会到达数据库层导致db瘫痪从而引起系统故障。

解决方案

利用互斥锁

缓存失效的时候，先去获得锁，得到锁了，再去请求数据库。没得到锁，则休眠一段时间重试。

采用异步更新策略

无论 Key 是否取到值，都直接返回。Value 值中维护一个缓存失效时间，缓存如果过期，异步起一个线程去读数据库，更新缓存。需要做缓存预热(项目启动前，先加载缓存)操作。

使用布隆过滤器

提供一个能迅速判断请求是否有效的拦截机制，比如，利用布隆过滤器，内部维护一系列合法有效的 Key。迅速判断出，请求所携带的 Key 是否合法有效。如果不合法，则直接返回。

空置缓存

在第一次查询完不存在的数据后，将该key与对应的空值也放入缓存中，只不过设定为较短的失效时间，例如几分钟，这样则可以应对短时间的大量的该key攻击，设置为较短的失效时间是因为该值可能业务无关，存在意义不大，且该次的查询也未必是攻击者发起，无过久存储的必要，故可以早点失效。

缓存雪崩

定义

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，请求全部转发到数据库，数据库瞬时压力过重雪崩。

解决方案

给缓存的加一个随机失效时间

加上一个随机值，避免集体失效。

使用互斥锁

只让一个线程构建缓存，其他线程等待构建缓存的线程执行完，重新从缓存获取数据才可以，每个时刻只有一个线程在执行请求，减轻了db的压力，但缺点也很明显，降低了系统的qps。

双缓存策略

我们有两个缓存，缓存 A 和缓存 B。缓存 A 的失效时间为 20 分钟，缓存 B 不设失效时间。自己做缓存预热操作。

双缓存细分以下几个小点：从缓存 A 读数据，有则直接返回；A 没有数据，直接从B读数据，直接返回，并且异步启动一个更新线程，更新线程同时更新缓存 A 和缓存 B。

缓存击穿

定义

缓存击穿实际上是缓存雪崩的一个特例.

对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题，这个和缓存雪崩的区别在于这里针对某一key缓存，前者则是很多key。

缓存在某个时间点过期的时候，恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，这些请求发现缓存过期一般都会从后端DB加载数据并回设到缓存，这个时候大并发的请求可能会瞬间把后端DB压垮。

解决方案

使用互斥锁

伪代码示例:
public String get(key) {
    String value = redis.get(key);
    if (value == null) { //代表缓存值过期
        //设置3min的超时，防止del操作失败的时候，下次缓存过期一直不能load db
        if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) {  //代表设置成功
            value = db.get(key);
            redis.set(key, value, expire_secs);
            redis.del(key_mutex);
        } else {  //这个时候代表同时候的其他线程已经load    db并回设到缓存了，这时候重试获取缓存值即可
            sleep(50);
            get(key);  //重试
        }
    } else {
         return value;
    }
 }

"提前"使用互斥锁

在value内部设置1个超时值(timeout1),timeout1比实际的缓存中的timeout(timeout2)小。当从cache读取到timeout1发现它已经过期时候，马上延长timeout1并重新设置到cache。然后再从数据库加载数据并设置到cache中。

"永远不过期"

这里的“永远不过期”包含两层意思：

(1) 从redis上看，确实没有设置过期时间，这就保证了，不会出现热点key过期问题，也就是“物理”不过期。

(2) 从功能上看，如果不过期，那不就成静态的了吗？所以我们把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建，也就是“逻辑”过期

从实战看，这种方法对于性能非常友好，唯一不足的就是构建缓存时候，其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据，但是对于一般的互联网功能来说这个还是可以忍受。

伪代码如下:
String get(final String key) {
        V v = redis.get(key);
        String value = v.getValue();
        long timeout = v.getTimeout();
        if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
            // 异步更新后台异常执行
            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;
}

资源保护

采用netflix的hystrix，可以做资源的隔离保护主线程池，如果把这个应用到缓存的构建也未尝不可.

二级缓存

对于热点数据进行二级缓存，并对于不同级别的缓存设定不同的失效时间，则请求不会直接击穿缓存层到达数据库。

Redis 的并发竞争 Key 问题

所谓 Redis 的并发竞争 Key 的问题也就是多个系统同时对一个 key 进行操作，但是最后执行的顺序和我们期望的顺序不同，这样也就导致了结果的不同！

需要说明一下，我提前百度了一下，发现答案基本都是推荐用 Redis 事务机制。

我并不推荐使用 Redis 的事务机制。因为我们的生产环境，基本都是 Redis 集群环境，做了数据分片操作。

你一个事务中有涉及到多个 Key 操作的时候，这多个Key不一定都存储在同一个 redis-server 上。因此，Redis 的事务机制，十分鸡肋。

如果对这个 Key 操作，不要求顺序

这种情况下，准备一个分布式锁，大家去抢锁，抢到锁就做 set 操作即可，比较简单。

如果对这个 Key 操作，要求顺序

假设有一个 key1，系统 A 需要将 key1 设置为 valueA，系统 B 需要将 key1 设置为 valueB，系统 C 需要将 key1 设置为 valueC。

期望按照 key1 的 value 值按照 valueA > valueB > valueC 的顺序变化。这种时候我们在数据写入数据库的时候，需要保存一个时间戳。

比如

系统A key1 {valueA  3:00}
系统B key1 {valueB  3:05}
系统C key1 {valueC  3:10}

那么，假设这会系统 B 先抢到锁，将 key1 设置为{valueB 3:05}。接下来系统 A 抢到锁，发现自己的 valueA 的时间戳早于缓存中的时间戳，那就不做 set 操作了，以此类推。

其他方法，比如利用队列，将 set方法变成串行访问也可以。总之，灵活变通。

缓存预热

新的缓存系统没有任何缓存数据，在缓存重建数据的过程中，系统性能和数据库负载都不太好，所以最好是在系统上线之前就把要缓存的热点数据加载到缓存中，这种缓存预加载手段就是缓存预热。

解决思路：

• 1、直接写个缓存刷新页面，上线时手工操作下；
• 2、数据量不大，可以在项目启动的时候自动进行加载；
• 3、定时刷新缓存；

缓存热备

缓存热备即当一台缓存服务器不可用时能实时切换到备用缓存服务器，不影响缓存使用。集群模式下，每个主节点都会有一个或多个从节点来当备用，一旦主节点挂点，从节点立即充当主节点使用。