第十一章 缓存之更新/穿透/雪崩/击穿

embedded/2024/10/8 23:08:46/

目录

一、什么是缓存

二、缓存更新策略

2.1. 缓存主动更新策略

2.1.1. Cache Aside模式（主流）‌

2.1.2. Read/Write Through模式‌

2.1‌.3. Write Behind模式‌

2.1.4. 总结

三、缓存穿透

四、缓存雪崩

五、缓存击穿

5.1. 互斥锁实现

5.1.1. 实现流程图

​编辑5.1.2. 主要实现代码

5.2. 逻辑过期实现

六、缓存穿透/击穿封装工具类

本文中的图片内容部分来源于黑马程序员教程案例

一、什么是缓存

‌‌缓存是一种用于临时存储数据的技术或机制，旨在提高数据访问速度和系统性能。‌ 缓存通常位于计算机系统内部或附近，可以是硬件、软件或两者的结合体。例如，Web浏览器可以将最常访问的网页内容缓存在本地，以便下次访问时无需从远程服务器重新下载。‌

缓存的作用和原理在于利用程序局部性原理，将频繁访问的数据存储在高速存储器中，如‌SRAM或‌DRAM，以便快速访问。当硬件需要读取数据时，首先在缓存中查找，如果找到则直接执行，否则从内存中查找。由于缓存的运行速度比内存快得多，因此缓存的作用是帮助硬件更快地运行。

缓存可以根据不同的分类标准进行分类。例如，根据存储位置和用途的不同，可以分为‌CPU缓存、‌硬盘缓存、‌内存缓存等。CPU缓存包括‌L1、L2和L3缓存，硬盘缓存用于提高数据传输速度。此外，还有‌HTTP缓存、‌浏览器缓存等。

虽然缓存可以提高系统性能，但也会引入一定的数据一致性问题。因为缓存中的数据可能会与后端数据源（如数据库）存在不一致的情况，所以在使用缓存时需要考虑数据的更新和缓存的过期策略，以保证数据的一致性。

二、缓存更新策略

2.1. 缓存主动更新策略

指在更新数据库中的数据时，如何同步更新缓存中的数据，以保证数据的一致性。常见的缓存更新策略包括‌Cache Aside模式、‌Read/Write Through模式和‌Write Behind模式。

2.1.1. Cache Aside模式（主流）‌

Cache Aside模式是最常用的缓存更新策略，其中又分为两种：

1. 先删除缓存，再操作数据库

2. 先操作数据库，再删除缓存（主流），其操作步骤如下：

  1. 先更新数据库中的数据。
  2. 然后删除缓存中的数据，或者让缓存失效。
  3. 当下次查询时，如果缓存失效，则重新从数据库中读取数据并更新缓存。

注：由于操作缓存和数据库的话存在线程安全性问题，相较于先删除缓存再操作数据库而言，先操作数据库再删除缓存对于产生线程安全性的概率较低，因为写缓存的速度比更新数据库要快很多：线程1在查询缓存未命中后继续查询数据库时，线程2进来更新数据库，绝大部分情况下线程2更新数据库期间，线程1已经完成了缓存的写入。

2.1.2. Read/Write Through模式‌

Read/Write Through模式将缓存和数据库整合为一个服务，由服务来维护一致性。操作步骤如下：

  1. 查询操作直接从缓存中读取数据。
  2. 如果缓存中不存在数据，则直接从数据库中读取并返回给用户，同时将数据写入缓存。

2.1‌.3. Write Behind模式‌

Write Behind模式由其他线程异步地将缓存数据持久化到数据库，保证最终一致性。操作步骤如下：

  1. 更新操作只更新缓存。
  2. 由其他线程异步地将缓存数据写入数据库。

2.1.4. 总结

‌不同策略的优缺点‌

Cache Aside模式的优点是简单易实现，但存在数据不一致的风险。Read/Write Through模式的优点是数据一致性高，但性能较低。Write Behind模式的优点是最终一致性，但需要额外的线程管理。

‌不同场景下的适用性‌

Cache Aside模式适用于读多写少的场景，简单高效。Read/Write Through模式适用于对数据一致性要求高的场景。Write Behind模式适用于写操作较少，可以容忍最终一致性的场景。

缓存更新策略的最佳实践方案

1. 低一致性需求：使用Redis自带的内存淘汰机制

2. 高一致性需求：主动更新，并以超时剔除作为兜底方案

读操作：

写操作：

整个写操作的逻辑，我们要确保事务性，如在单体的Spring的JavaWeb项目业务代码的Service实现层添加@Transactional注解，分布式的项目中可以通过TTC模式来控制，当比如删除Redis缓存出现异常，直接回滚数据库的写操作。

三、缓存穿透

缓存穿透是指客户端请求的数据在缓存中和数据库中都不存在，这样缓存永远不会生效，这些请求都会到数据库。

常见的解决方案有两种：

3.1. 缓存空对象（项目中主流用法）：

  • 优点：实现简单，维护方便
  • 缺点：额外的内存消耗以及可能造成短期的不一致

2. 布隆过滤器

  • 优点：内存占用较少，没有多余key
  • 缺点：实现复杂、存在误判可能

3. 参数校验过滤不合法请求

通过对用户输入的参数进行校验，例如检查ID的格式是否合法，如果不合法则直接拒绝请求。这种方法可以过滤掉一部分恶意伪造的用户请求，减少对数据库的压力。

4. 使用分布式锁

在缓存未命中时，通过分布式锁控制只有一个请求去查询数据库，其他请求等待锁释放。这样可以防止多个请求同时查询数据库，减轻数据库的压力。

5. 服务降级和限流

在面对大量的恶意请求时，可以通过服务降级或限流的方式来保护后端服务。限流可以限制到达数据库的请求数量，避免数据库压力过大。

四、缓存雪崩

‌缓存雪崩是指由于缓存中大量数据同时失效或缓存服务器故障，导致大量请求直接打到数据库上，引发数据库压力激增，可能导致整个系统崩溃的现象。‌ 缓存雪崩通常由于缓存的过期策略不当或缓存服务器故障导致。例如，如果大量的缓存数据设置为在同一时间点过期，或者缓存服务器出现问题无法提供服务，所有的请求将直接访问后端存储系统，导致后端系统瞬时承受巨大的负载压力‌

解决方案：

  • 给不同的key的TTL失效时间设置随机值
  • 利用Redis集群提高服务的可用性
  • 给缓存业务添加降级限流策略
  • 给业务添加多级缓存

五、缓存击穿

‌缓存击穿是指当一个缓存中的热点数据过期或被删除后，大量并发请求同时到达，导致这些请求直接穿透缓存访问数据库，从而增加数据库的负载。‌ 这种情况通常发生在热点数据过期或删除的瞬间，导致短时间内大量请求无法通过缓存获取数据，直接访问数据库，造成数据库负载急剧增加‌。

缓存击穿的具体场景包括：

  • ‌热点数据过期‌：当缓存中的热点数据过期时，大量请求会同时查询后端数据库，导致数据库负载增加‌。
  • ‌第一次请求‌：对于一个之前从未被请求过的数据，当它第一次被请求时，缓存中没有该数据，导致请求穿透到后端存储‌。

解决缓存击穿的方法包括：

  • ‌设置热点数据永不过期‌：将热点数据的缓存过期时间设置为较长的时间，甚至是永不过期。这种方法可以避免缓存击穿，但可能导致数据不够及时和准确‌。
  • ‌使用互斥锁‌：在数据失效时，通过设置互斥锁来保护数据库访问过程。如果某个请求已经获取到了锁，其他请求需要等待，直到获取到锁为止。这种方法可以避免大量并发请求同时访问数据库，但可能导致并发性能下降和请求等待时间增加‌

注意：这两种方案没有孰优孰劣，在实际项目中，我们要针对业务场景和需求，权衡自身是更注重可用性还是一致性来做选择。

5.1. 互斥锁实现

5.1.1. 实现流程图

互斥锁的实现主要基于Redis的命令setnx再附加一个失效时间，key不存在时可以往Redis中写入（返回值1），否则写入失败（返回值0），同一时期如果有多人写入同一个key，只有一人能成功，以此达到互斥锁的效果：


5.1.2. 主要实现代码

package com.hmdp.service;import com.hmdp.dto.Result;
import com.hmdp.entity.Shop;
import com.baomidou.mybatisplus.extension.service.IService;public interface IShopService extends IService<Shop> {Result queryById(Long id);Result update(Shop shop);
}

package com.hmdp.service.impl;import cn.hutool.core.util.BooleanUtil;
import cn.hutool.core.util.StrUtil;
import cn.hutool.json.JSONUtil;
import com.baomidou.mybatisplus.extension.plugins.pagination.Page;
import com.baomidou.mybatisplus.extension.service.impl.ServiceImpl;
import com.hmdp.dto.Result;
import com.hmdp.entity.Shop;
import com.hmdp.mapper.ShopMapper;
import com.hmdp.service.IShopService;
import com.hmdp.utils.CacheClient;
import com.hmdp.utils.SystemConstants;
import org.springframework.data.geo.Distance;
import org.springframework.data.geo.GeoResult;
import org.springframework.data.geo.GeoResults;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisGeoCommands;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.domain.geo.GeoReference;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;import javax.annotation.Resource;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;import static com.hmdp.utils.RedisConstants.*;@Service
public class ShopServiceImpl extends ServiceImpl<ShopMapper, Shop> implements IShopService {@Resourceprivate StringRedisTemplate stringRedisTemplate;@Overridepublic Result queryById(Long id) {// 互斥锁解决缓存击穿Shop shop = queryWithMutex(id);if (shop == null) {return Result.fail("店铺不存在");}return Result.ok(shop);}@Override@Transactionalpublic Result update(Shop shop) {Long id = shop.getId();if (id == null) {return Result.fail("id不能为空");}// 1.更新数据库updateById(shop);// 2.删除缓存stringRedisTemplate.delete(CACHE_SHOP_KEY + id);return Result.ok();}public Shop queryWithMutex(Long id) {String key = CACHE_SHOP_KEY + id;// 1. 从redis查询商铺缓存String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);// 2. 判断是否存在if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {// 3. 存在，直接返回return JSONUtil.toBean(shopJson, Shop.class);}// 判断命中的是否为null空值，如果是除了null以外的""和" \t\n"这类空串，则直接返回错误信息if (shopJson != null) {// 返回一个错误信息return null;}// 4. 实现缓存重建// 4.1. 获取互斥锁String lockKey = "lock:shop" + id;Shop shop = null;try {boolean isLock = trylock(lockKey);// 4.2. 判断是否获取成功if (!isLock) {// 4.3. 失败，则休眠并重试Thread.sleep(50);return queryWithMutex(id);}// 4.4 获取成功，则根据id查询数据库shop = getById(id);// 5. 不存在，则返回错误if (shop == null) {// 将空值写入redisstringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);// 返回错误信息return null;}//  6. 存在，写入RedisstringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(shop), CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException();} finally {// 释放互斥锁unlock(lockKey);}// 7. 返回return shop;}private boolean trylock(String key) {// 不要直接返回flag，因这个值可能会为空，直接拆箱会可能报空指针Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);return BooleanUtil.isTrue(flag);}private void unlock(String key) {stringRedisTemplate.delete(key);}
}

5.2. 逻辑过期实现

缓存击穿往往发生在高并发访问的热点数据上，因此实际项目中，在我们的预期里，缓存击穿的热点数据是能够命中，即存在的。对于未命中的key，我们认定为非热点数据，因此直接返回空，不做逻辑过期处理。

package com.hmdp.utils;import lombok.Data;
import java.time.LocalDateTime;/*** 作为封装的Redis缓存对象*/
@Data
public class RedisData {/*** 逻辑过期时间*/private LocalDateTime expireTime;/*** 缓存的业务实体Bean，如用户、商家等*/private Object data;
}

package com.hmdp.service;import com.hmdp.dto.Result;
import com.hmdp.entity.Shop;
import com.baomidou.mybatisplus.extension.service.IService;public interface IShopService extends IService<Shop> {Result queryById(Long id);Result update(Shop shop);
}

package com.hmdp.service.impl;import cn.hutool.core.util.BooleanUtil;
import cn.hutool.core.util.StrUtil;
import cn.hutool.json.JSONObject;
import cn.hutool.json.JSONUtil;
import com.baomidou.mybatisplus.extension.service.impl.ServiceImpl;
import com.hmdp.dto.Result;
import com.hmdp.entity.Shop;
import com.hmdp.mapper.ShopMapper;
import com.hmdp.service.IShopService;
import com.hmdp.utils.RedisData;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;
import javax.annotation.Resource;
import java.time.LocalDateTime;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import static com.hmdp.utils.RedisConstants.CACHE_SHOP_KEY;
import static com.hmdp.utils.RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY;@Service
public class ShopServiceImpl extends ServiceImpl<ShopMapper, Shop> implements IShopService {private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);@Resourceprivate StringRedisTemplate stringRedisTemplate;@Overridepublic Result queryById(Long id) {// 逻辑过期Shop shop = queryWithLogicalExpire(id);if (shop == null) {return Result.fail("店铺不存在！");}// 7.返回return Result.ok(shop);}@Override@Transactionalpublic Result update(Shop shop) {Long id = shop.getId();if (id == null) {return Result.fail("id不能为空");}// 1.更新数据库updateById(shop);// 2.删除缓存stringRedisTemplate.delete(CACHE_SHOP_KEY + id);return Result.ok();}/*** 逻辑过期代码实现* @param id* @return*/public Shop queryWithLogicalExpire(Long id) {String key = CACHE_SHOP_KEY + id;// 1. 从redis查询商铺缓存String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);// 2. 判断缓存是否命中，未命中表明不是我们的热点数据，直接返回空（实际项目中，在我们的预期里，缓存击穿的热点数据是能够命中的）if (StrUtil.isBlank(shopJson)) {// 3. 未命中，直接返回空return null;}// 4. 命中，需要把json反序列化为对象RedisData redisData = JSONUtil.toBean(shopJson, RedisData.class);Shop shop = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), Shop.class);LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();// 5. 判断是否过期if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {// 5.1. 未过期则直接返回店铺信息return shop;}// 5.2. 已过期需要缓存重建// 6. 缓存重建// 6.1. 获取互斥锁String lockKey = LOCK_SHOP_KEY +id;boolean isLock = trylock(lockKey);// 6.2. 判断是否获取锁成功if (isLock) {// 6.3. 成功，开启独立线程，实现缓存重建CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {try {this.saveShop2Redis(id, 20L);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);} finally {unlock(lockKey);}});}// 6.4. 返回过期的商铺信息return shop;}private void saveShop2Redis(Long id, Long expireSeconds) {// 1. 查询店铺数据Shop shop = getById(id);// 2. 封装逻辑过期时间RedisData redisData = new RedisData();redisData.setData(shop);// 当前时间加上传入的指定秒数（即多少秒后过期）redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(expireSeconds));// 3. 写入redisstringRedisTemplate.opsForValue().set(CACHE_SHOP_KEY + id, JSONUtil.toJsonStr(redisData));}private boolean trylock(String key) {// 不要直接返回flag，因这个值可能会为空，直接拆箱会可能报空指针Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);return BooleanUtil.isTrue(flag);}private void unlock(String key) {stringRedisTemplate.delete(key);}
}

六、缓存穿透/击穿封装工具类

package com.hmdp.utils;import cn.hutool.core.util.BooleanUtil;
import cn.hutool.core.util.StrUtil;
import cn.hutool.json.JSONObject;
import cn.hutool.json.JSONUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;import java.time.LocalDateTime;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.function.Function;import static com.hmdp.utils.RedisConstants.CACHE_NULL_TTL;
import static com.hmdp.utils.RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY;@Slf4j
@Component
public class CacheClient {private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);public CacheClient(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;}public void set(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(value), time, unit);}public void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {// 设置逻辑过期RedisData redisData = new RedisData();redisData.setData(value);redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(unit.toSeconds(time)));// 写入RedisstringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(redisData));}/*** 缓存穿透* @param keyPrefix* @param id* @param type* @param dbFallback* @param time* @param unit* @param <R>* @param <ID>* @return*/public <R,ID> R queryWithPassThrough(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit){String key = keyPrefix + id;// 1.从redis查询商铺缓存String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);// 2.判断是否存在if (StrUtil.isNotBlank(json)) {// 3.存在，直接返回return JSONUtil.toBean(json, type);}// 判断命中的是否是空值if (json != null) {// 返回一个错误信息return null;}// 4.不存在，根据id查询数据库R r = dbFallback.apply(id);// 5.不存在，返回错误if (r == null) {// 将空值写入redisstringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);// 返回错误信息return null;}// 6.存在，写入redisthis.set(key, r, time, unit);return r;}/*** 逻辑过期解决缓存击穿* @param keyPrefix* @param id* @param type* @param dbFallback* @param time* @param unit* @param <R>* @param <ID>* @return*/public <R, ID> R queryWithLogicalExpire(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {String key = keyPrefix + id;// 1.从redis查询商铺缓存String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);// 2.判断是否存在if (StrUtil.isBlank(json)) {// 3.存在，直接返回return null;}// 4.命中，需要先把json反序列化为对象RedisData redisData = JSONUtil.toBean(json, RedisData.class);R r = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), type);LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();// 5.判断是否过期if(expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {// 5.1.未过期，直接返回店铺信息return r;}// 5.2.已过期，需要缓存重建// 6.缓存重建// 6.1.获取互斥锁String lockKey = LOCK_SHOP_KEY + id;boolean isLock = tryLock(lockKey);// 6.2.判断是否获取锁成功if (isLock){// 6.3.成功，开启独立线程，实现缓存重建CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {try {// 查询数据库R newR = dbFallback.apply(id);// 重建缓存this.setWithLogicalExpire(key, newR, time, unit);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}finally {// 释放锁unlock(lockKey);}});}// 6.4.返回过期的商铺信息return r;}/*** 互斥锁解决缓存击穿* @param keyPrefix* @param id* @param type* @param dbFallback* @param time* @param unit* @param <R>* @param <ID>* @return*/public <R, ID> R queryWithMutex(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {String key = keyPrefix + id;// 1.从redis查询商铺缓存String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);// 2.判断是否存在if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {// 3.存在，直接返回return JSONUtil.toBean(shopJson, type);}// 判断命中的是否是空值if (shopJson != null) {// 返回一个错误信息return null;}// 4.实现缓存重建// 4.1.获取互斥锁String lockKey = LOCK_SHOP_KEY + id;R r = null;try {boolean isLock = tryLock(lockKey);// 4.2.判断是否获取成功if (!isLock) {// 4.3.获取锁失败，休眠并重试Thread.sleep(50);return queryWithMutex(keyPrefix, id, type, dbFallback, time, unit);}// 4.4.获取锁成功，根据id查询数据库r = dbFallback.apply(id);// 5.不存在，返回错误if (r == null) {// 将空值写入redisstringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);// 返回错误信息return null;}// 6.存在，写入redisthis.set(key, r, time, unit);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {// 7.释放锁unlock(lockKey);}// 8.返回return r;}/*** 加锁* @param key* @return*/private boolean tryLock(String key) {Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);return BooleanUtil.isTrue(flag);}/*** 解锁* @param key*/private void unlock(String key) {stringRedisTemplate.delete(key);}
}


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