Redis中,什么是缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩

1、缓存介绍

缓存是互联网开发中必不可少的一部分,它能降低我们数据库的并发数,提高我们系统的性能,比如我们经常使用的redis、emCached等等,其中redis应该是大部分的人选,为什么?因为速度快,易上手,是很多开发者的首选,但是缓存同样存在着问题,如果使用的不恰当,也可能会造成非常严重的后果,这时候你可能就会有疑问,缓存只是存储一些数据而已,怎么会造成严重的后果呢?下面我就带大家一起来分析分析。

2、什么是缓存?

缓存(cache),原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器(RAM)快的一种高速存储器,通常它不像系统主存那样使用DRAM技术,而使用昂贵但较快速的SRAM技术。缓存的设置是所有现代计算机系统发挥高性能的重要因素之一。

比如我们的redis、他就是缓存中比较常见的一种,他的并发读写能力能达到10w/s左右的速度,这个速度是相当不错的,相对于传统的数据存储来说,比如数据库,快了不知道多少倍,传统的数据库(mysql)操作的都是磁盘,而redis操作的是内存(ram),所以他们的速度肯定是没法比较的,由于传统数据库的读写较慢,所以并发较高的时候就会造成性能瓶颈问题,这也是为什么需要引入缓存的原因之一。

再唠一下~

缓存的出现,同时,它也带来了一些问题。其中,最要害的问题,就是数据的一致性问题,从严格意义上讲,这个问题无解。如果对数据的一致性要求很高,那么就不能使用缓存。

另外的一些典型问题就是,缓存穿透、缓存雪崩和缓存击穿。目前,业界也都有比较流行的解决方案。本篇文章,并不是要更加完美的解决这三个问题,也不是要颠覆业界流行的解决方案。而是,从实际代码操作,来演示这三个问题现象。之所以要这么做,是因为,仅仅看这些问题的学术解释,脑袋里很难有一个很形象的概念,有了详细的描述,可以加深对这些问题的理解和认识。

2、缓存击穿

缓存击穿,是指一个key非常热点,在不停的扛着大并发,大并发集中对这一个点进行访问,当这个key在失效的瞬间,持续的大并发就穿破缓存,直接请求数据库,就像在一个屏障上凿开了一个洞。

小编在做电商项目的时候,把这货就成为“爆款”。

其实,大多数情况下这种爆款很难对数据库服务器造成压垮性的压力。达到这个级别的公司没有几家的。所以,务实主义的小编,对主打商品都是早早的做好了准备,让缓存永不过期。即便某些商品自己发酵成了爆款,也是直接设为永不过期就好了。

一、解决方案

1、自动更新

什么是自动更新呢?这个有点类似与jwt的自动刷新token机制,jwt的自动刷新token实现原理大致为:请求的时候判断一下token的剩余有效时间,如果有效时间小于设定的时间,那么jwt将生成一个新的token,然后再将次token重新设置过期时间,并将新的token返回给前端使用,这个也可以参考一下,redis是支持查询某个key剩余有效时间,所以这里我们只需要设定一个时间差,比如3分钟,请求的时候查询的有效时间如果小于3分钟,那么刷新这个key的有效时间,刷新这个操作可以使用异步实现(提高性能)。

可能你想到了,这种方式存在缺陷,没错,如果再快失效的3分钟内没有请求,那么缓存中的key将不会被刷新,还是会存在缓存击穿的问题,所以这种方式不是特别推荐。

2、定时更新

第一种:定时任务,查询快要过期的key,更新内容,并刷新有效时间,这种比较消耗服务器性能,也不是特别推荐。

第二种:延迟队列,如果大家了解它的话可能一下就知道我说的是什么意思了,将数据存入缓存的那一刻同时发送一个延迟队列(按指定时间消费),时间小于缓存中key的过期时间,到了指定时间,消费者刷新key的有效时间再发送一个延迟队列,以此循环,这种方式还是不错的,但是实现方式相对于第一种来说就要复杂一点了,他需要依靠消息中间件来完成,如果消息中间件某个时间宕机,那就gg了,虽然这种方式虽然比较推荐,但是成本偏高,因为为了防止消息中间件宕机,我们有可能需要对消息中间件做集群处理。

3、程序加锁

我个人推荐使用这个,为什么呢?因为它不需要额外的服务器开销,也不需要额外的资源消耗,他仅仅只是让线程串行而已,但是这个时候你可能就会有疑问了,加锁不是会严重影响程序的效率吗?为什么你还推荐这种方式呢?

其实并不是所有的锁都会很大的降低程序的性能,这里我们当然不能使用synchronized,原因很简单,他的效率比较慢,不太适合这种情况,我要介绍的这种锁名字为:读写锁

大道至简,mutex key互斥锁真心用不上。

3、缓存穿透

缓存穿透指的是:同一时刻,大量的并发请求数据库中不存在的信息,他既不会命中缓存,也不会命中数据库,但是他会查找数据库。

上面的bug也是因为它产生的,测试的小哥哥查询的订单都是数据库不存在的,所以这个时候这些并发请求都不会命中缓存(redis),将直达数据库(mysql),由于大量的并发请求到达数据库,而数据库承受不住这么高的并发,从而导致数据库崩溃,这就是缓存穿透。

一、代码流程

  1. 参数传入对象主键ID
  2. 根据key从缓存中获取对象
  3. 如果对象不为空,直接返回
  4. 如果对象为空,进行数据库查询
  5. 如果从数据库查询出的对象不为空,则放入缓存(设定过期时间)想象一下这个情况,如果传入的参数为-1,会是怎么样?这个-1,就是一定不存在的对象。就会每次都去查询数据库,而每次查询都是空,每次又都不会进行缓存。假如有恶意攻击,就可以利用这个漏洞,对数据库造成压力,甚至压垮数据库。即便是采用UUID,也是很容易找到一个不存在的KEY,进行攻击。

二、流程图


三、解决方案

1、将空数据存入缓存

什么意思呢?简单点来说,不管数据库中有没有查询到数据,都往缓存中添加一条数据,这样下次请求的时候就会直接在缓存中返回,这种方式比较简单粗暴。

2、布隆过滤器

布隆过滤器(Bloom Filter)是1970年由布隆提出的。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数。布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。它的优点是空间效率和查询时间都比一般的算法要好的多,缺点是有一定的误识别率和删除困难。

这个算法实现起来比上面第一种稍微复杂一点,这里就不具体说明了,如果感兴趣的话可以百度自行了解一下,不是很难。

4、缓存雪崩

缓存雪崩,是指在某一个时间段,缓存集中过期失效。

产生雪崩的原因之一,比如在写本文的时候,马上就要到双十二零点,很快就会迎来一波抢购,这波商品时间比较集中的放入了缓存,假设缓存一个小时。那么到了凌晨一点钟的时候,这批商品的缓存就都过期了。而对这批商品的访问查询,都落到了数据库上,对于数据库而言,就会产生周期性的压力波峰。

小编在做电商项目的时候,一般是采取不同分类商品,缓存不同周期。在同一分类中的商品,加上一个随机因子。这样能尽可能分散缓存过期时间,而且,热门类目的商品缓存时间长一些,冷门类目的商品缓存时间短一些,也能节省缓存服务的资源。

其实际中过期,倒不是非常致命,比较致命的缓存雪崩,是缓存服务器某个节点宕机或断网。因为自然形成的缓存雪崩,一定是在某个时间段集中创建缓存,那么那个时候数据库能顶住压力,这个时候,数据库也是可以顶住压力的。无非就是对数据库产生周期性的压力而已。而缓存服务节点的宕机,对数据库服务器造成的压力是不可预知的,很有可能瞬间就把数据库压垮。

一、解决方案

1、随机设置过期时间

这个随机时间并不是真正的随机时间,而是指在原来过期时间的基础上生成一个随机时间,这个随机时间比较小,然后两者相加即可。

2、设置永久有效

将一些常用的数据设置成为永久有效,注意哦,是经常使用的而不是全部,这点需要特别注意。

总结

什么是缓存穿透?同一时刻,大量的并发请求数据库中不存在的信息,他既不会命中缓存,也不会命中数据库,但是他会查找数据库。

什么是缓存击穿?缓存击穿是指热点key在某个时间点过期的时候,而恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来,从而大量的请求打到db(数据库)。

什么是缓存雪崩?缓存中数据大批量到过期时间,而查询数据量巨大,引起数据库压力过大甚至宕机

并不是只有上面几种解决方案,这里我只是讲解了几种常用的解决方案,在日常开发中我们可以根据实际的业务需求进行选择,没有最好的,只有最适合自己的,所以不一定要选择最牛逼的解决方案,但是一定要选择最适合项目的解决方案。

redis缓存击穿缓存穿透缓存雪崩
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