Part 01

前言 

在高并發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)中，大量網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的并發(fā)處理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的I/O消耗是非常巨大的，為了快速讀取數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求時(shí)延，緩解數(shù)據(jù)庫的壓力，因此在軟件開發(fā)中引入了緩存技術(shù)。但是在緩存的使用過程中也會(huì)遇到一些特殊情況導(dǎo)致緩存失效，常見的緩存失效的情況有三種：緩存穿透、緩存擊穿、緩存雪崩。

Part 02

緩存失效的三種情況 

緩存（以Redis緩存為例）的引入可以減少請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫的次數(shù)，提高查詢效率，從而提升系統(tǒng)性能。一般的流程是：應(yīng)用發(fā)起請(qǐng)求后，先查詢緩存中是否存在所需數(shù)據(jù)，如果緩存中存在，直接返回?cái)?shù)據(jù)，如果緩存中不存在所需數(shù)據(jù)，則需要去查詢數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫中存在所需數(shù)據(jù)，則一方面存入緩存，另一方面返回查詢結(jié)果，如果數(shù)據(jù)庫中不存在，則返回空或者錯(cuò)誤。

圖1 緩存使用流程圖

- 緩存穿透

緩存穿透(Cache Penetration)是指查詢一個(gè)一定不存在的數(shù)據(jù)，即用戶訪問的數(shù)據(jù)既不在緩存當(dāng)中，也不在數(shù)據(jù)庫中。由于緩存中查詢不到數(shù)據(jù)，請(qǐng)求會(huì)去查詢數(shù)據(jù)庫，然而數(shù)據(jù)庫中也不存在該數(shù)據(jù)，也不會(huì)寫入緩存，導(dǎo)致查詢?cè)摂?shù)據(jù)的時(shí)候，每次都要去數(shù)據(jù)庫中查詢，給數(shù)據(jù)庫到來壓力。

- 緩存雪崩

緩存雪崩(Cache Avalanche)是指大量的緩存數(shù)據(jù)在某一時(shí)刻超過了緩存的過期時(shí)間，同時(shí)失效，導(dǎo)致高并發(fā)的請(qǐng)求同時(shí)去訪問數(shù)據(jù)庫，造成數(shù)據(jù)庫壓力過大，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。這是針對(duì)多個(gè)緩存數(shù)據(jù)而言的。

- 緩存擊穿

緩存擊穿(Cache Breakdown)是指緩存過期的一瞬間，有大量的請(qǐng)求去查詢同一個(gè)緩存數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)在承載著大并發(fā)，當(dāng)該數(shù)據(jù)失效的一瞬間，持續(xù)的大并發(fā)就會(huì)直接去請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫，造成數(shù)據(jù)庫壓力倍增。這是針對(duì)一個(gè)緩存數(shù)據(jù)而言的。

Part 03

解決方案 

針對(duì)緩存穿透的解決方案：

1.第一種方案是采用布隆過濾器進(jìn)行數(shù)據(jù)攔截。這也是針對(duì)緩存擊穿采用的常用方案。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，使用布隆過濾器對(duì)數(shù)據(jù)的key進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)帶有數(shù)據(jù)key的請(qǐng)求過來后，先用布隆過濾器驗(yàn)證key是否存在，如果存在，再進(jìn)入緩存或者數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢。

2.第二種方案是緩存空值。當(dāng)在數(shù)據(jù)庫中查詢不到數(shù)據(jù)時(shí)，將其緩存為空值或者默認(rèn)值。此時(shí)需要注意，針對(duì)其的緩存過期時(shí)間不宜過長(zhǎng)，一般設(shè)置為5分鐘內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫被寫入或者更新該key的新數(shù)據(jù)時(shí)，緩存必須同時(shí)更新，保證數(shù)據(jù)的一致性。

針對(duì)緩存雪崩的解決方案：

1.一般是將key的過期時(shí)間后面增加一個(gè)隨機(jī)數(shù)，讓過期時(shí)間分散開，使key均勻失效，減少緩存時(shí)間過期的重復(fù)率。

2.利用加鎖或隊(duì)列的方式，保證緩存單線程寫，但是這種方案會(huì)影響并發(fā)量，多個(gè)請(qǐng)求過來時(shí)，只有一個(gè)在進(jìn)行正常的操作，其他請(qǐng)求都會(huì)在等待的狀態(tài)，影響程序性能，不推薦使用。

3.使用緩存標(biāo)記，這是比較好的解決辦法。判斷標(biāo)記是否過期，過期則去數(shù)據(jù)庫中請(qǐng)求，而緩存數(shù)據(jù)的過期時(shí)間要設(shè)置的比緩存標(biāo)記長(zhǎng)些，如此一來，當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求去操作數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，其他的請(qǐng)求拿到的是上一次的緩存數(shù)據(jù)。

針對(duì)緩存擊穿的解決方案：

1.使用互斥鎖，當(dāng)緩存的key過期時(shí)，多個(gè)請(qǐng)求過來時(shí)只允許一個(gè)請(qǐng)求去查詢數(shù)據(jù)庫構(gòu)建緩存，其他請(qǐng)求等待該請(qǐng)求執(zhí)行完畢之后，重新從緩存中獲取數(shù)據(jù)。

2.針對(duì)訪問量比較大的數(shù)據(jù)，即熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，不設(shè)置緩存過期時(shí)間，后臺(tái)異步更新緩存，適用于不嚴(yán)格要求緩存一致性的場(chǎng)景。