Redis缓存穿透、缓存雪崩和缓存击穿

前言

在我们日常的开发中，无不都是使用数据库来进行数据的存储，由于一般的系统任务中通常不会存在高并发的情况，所以这样看起来并没有什么问题，可是一旦涉及大数据量的需求，比如一些商品抢购的情景，或者是主页访问量瞬间较大的时候，单一使用数据库来保存数据的系统会因为面向磁盘，磁盘读/写速度比较慢的问题而存在严重的性能弊端，一瞬间成千上万的请求到来，需要系统在极短的时间内完成成千上万次的读/写操作，这个时候往往不是数据库能够承受的，极其容易造成数据库系统瘫痪，最终导致服务宕机的严重生产问题。

为了克服上述的问题，项目通常会引入NoSQL技术，这是一种基于内存的数据库，并且提供一定的持久化功能。

redis技术就是NoSQL技术中的一种，但是引入redis又有可能出现缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩等问题。本文就对这三种问题进行较深入剖析。

一、缓存穿透

1.1 什么是缓存穿透

缓存穿透是指查询一个根本不存在的数据，缓存层和持久层都不会命中，请求都会压到数据库，从而压垮数据库。比如用户一个不存在的用户id获取用户信息

在日常工作中出于容错的考虑，如果从持久层查不到数据则不写入缓存层，缓存穿透将导致不存在的数据每次请求都要到持久层去查询，失去了缓存保护后端持久的意义。

1.2 缓存穿透解决方案

一个一定不存在缓存及查询不到的数据，由于缓存是不命中时被动写的，并且出于容错考虑，如果从存储层查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。

下面有3种方法可以有效地解决缓存穿透问题

1. 对空值缓存：如果一个查询返回的数据为空（不管数据是否存在），我们仍然把这个空结果（null）进行缓存，设置空结果的过期时间会很短，最长不超过五分钟。

2. 设置可访问的白名单：使用bitmaps；类型定义一个可以访问的名单，名单id作为bitmaps的偏移量，每次访问和bitmaps里面的id进行比较，如果访问id不在bitmaps里面，进行拦截，不允许访问

3. 采用布隆过滤器：布隆过滤器（Bloom Filter）是由Howard Bloom在1970年提出的一种比较巧妙的概率型数据结构，它可以告诉你某种东西一定不存在或者可能存在。当布隆过滤器说，某种东西存在时，这种东西可能不存在；当布隆过滤器说，某种东西不存在时，那么这种东西一定不存在。 布隆过滤器相对于Set、Map 等数据结构来说，它可以更高效地插入和查询，并且占用空间更少，它也有缺点，就是判断某种东西是否存在时，可能会被误判。但是只要参数设置的合理，它的精确度也可以控制的相对精确，只会有小小的误判概率。

这里重点讲一下布隆过滤器

了解布隆过滤器的用途，下面有必须要把它的原理解释一下，不然有些读者还会继续蒙在鼓里。

布隆过滤器是一个 bit 向量或者说 bit 数组，长这样

向布隆过滤器中添加key时，会使用多个hash函数对key进行hash，算得一个整数索引值，然后对位数组进行取模运算得到一个位置，每个hash函数都会算得一个不同的位置。在把位数组的这几个位置都置为1

向布隆过滤器询问key是否存在时，也会把hash的几个位置都算出来，看看位数组中这几个位置是否都为1，只要有一个位为0，那么说明布隆过滤器中这个key不存在。如果这几个位置都是1，并不能说明这个key就一定存在，只是极有可能存在，因为这些位被置为1可能是因为其他的key存在所致。如果这个位数组比较稀疏，判断正确的概率就会很大，如果这个位数组比较拥挤，判断正确的概率就会降低。

二、缓存击穿

1.1 什么是缓存击穿

缓存击穿是指缓存中没有但数据库中有的数据（一般是缓存时间到期），这时由于并发用户特别多，同时读缓存没读到数据，又同时去数据库去取数据，引起数据库压力瞬间增大，造成过大压力（有点像一把尖刀瞬间击穿到数据库）

比如前段时间的吴签事件，如果没有把这个词作为热点词存储到缓存中或者缓存时间到期，那么用户访问这个词时，就会通过缓存，直接访问数据库，引起数据库压力瞬间增大。

它和缓存穿透的区别在于：缓存击穿是指缓存中没有但数据库中有的数据，由于并发用户特别多，同时读缓存没读到数据，同时数据库取数据引起数据库压力瞬间增大，造成过大压力。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，如发起的数据特别大而不存在的数据

1.2 缓存击穿解决方案

key可能会在某些时间点被高并发访问，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

下面介绍2种方法可以有效地解决缓存击穿问题

1. 预先设置热门数据：在redis高峰访问前，把一些热门数据提前存入redis中，加大这些热门数据key的时长实时调整 现场监控哪些数据是热门数据，实时调整key的过期时长

2. 使用分布式锁: 就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去查数据库，先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作。比如redis的setnx去set一个mutex key，当操作返回成功时（分布式锁），在查数据库，并回设缓存，最后删除mutex key
   当操作返回失败，证明有线程在查询数据库，当前线程睡眠一段时间在重s试整个get缓存的方法

三、缓存雪崩

3.1 什么是缓存雪崩

缓存雪崩是指缓存同一时间大面积的失效，所以，后面的请求都会落到数据库上，造成数据库短时间内承受大量请求而崩掉。

常见缓存雪崩出现原因：1、redis服务器挂掉了。2、对缓存数据设置了相同的过期时间，导致某时间段内缓存集中失效。

3.2 缓存雪崩解决方案

缓存雪崩解对底层系统的冲击是非常大的：

解决方案：

1. 构建多级缓存架构：nginx缓存+redis缓存+其他缓存（ehcache等）

2. 使用锁或队列：使用锁或在队列的方式来保证不会有大量的线程对数据库进行读写，从而避免失效时大量的并发请求到底层存储系统上，不适用高并发情况

3. 设置过期标志更新缓存：记录缓存数据是否过期（设置提前量），如果过期会触发通知另外的线程在后台去更新实际key的缓存

4. 将缓存失效时间分散开：设置缓存过期时间时加上一个随机值，避免缓存在同一时间过期