Java缓存穿透、击穿、雪崩解决方案

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Java缓存穿透、击穿、雪崩解决方案

在互联网高并发的场景下,对于数据库查询频率高的数据,为了提高查询效率,常常会采用缓存技术进行优化。然而,缓存技术也会带来一些问题,比如缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩等。

缓存穿透

当我们从缓存中查询一个不存在的数据时,请求就会穿透缓存直接查询数据库,这样就会导致缓存无法起到应有的作用,并且大量的查询请求会直接打到数据库上,造成了数据库压力的增加,甚至会导致宕机等问题。

解决方案

可以使用布隆过滤器(Bloom Filter)来解决缓存穿透问题,它是一种快速判断某个数据是否存在的数据结构。具体步骤如下:

  1. 在缓存层增加布隆过滤器模块,将所有可能存在的数据先存储在布隆过滤器中;
  2. 当一个查询请求进来时,先通过布隆过滤器进行判断,如果该数据肯定不存在,则直接返回;
  3. 如果该数据可能存在,则再去缓存中查找,如果缓存中不存在,则继续去数据库中查找,并将该数据放入缓存中。

代码实践

我们可以使用Google Guava库中的BloomFilter类来实现布隆过滤器。示例代码如下:

import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;

public class BloomFilterDemo {

    private static final int capacity = 1000000; // 预计元素数量
    private static final double false_positive_rate = 0.01; // 允许的误判率

    private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), capacity, false_positive_rate);

    public static void main(String[] args) {
        // 将所有可能存在的数据存放到布隆过滤器中
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            bloomFilter.put(i);
        }

        // 查询一个不存在的数据
        int testNum = -1;
        if (!bloomFilter.mightContain(testNum)) {
            System.out.println("该数据肯定不存在");
            return;
        }

        // 查询一个存在的数据
        int existNum = 999999;
        if (bloomFilter.mightContain(existNum)) {
            System.out.println("该数据可能存在");
            // TODO: 去缓存中查找,如果缓存中不存在则去数据库中查找
        }
    }
}

缓存击穿

在高并发场景下,当某个热点数据失效时,大量查询请求会直接打到数据库上,造成了数据库压力的增加,甚至会导致宕机等问题。

解决方案

可以使用分布式锁解决缓存击穿问题。具体步骤如下:

  1. 查询数据前,先使用分布式锁对该数据进行加锁;
  2. 如果此时有大量的查询请求进来,则只有一个请求能够获得锁并去查询数据库;
  3. 其他请求则等待锁释放后再从缓存中获取数据。

代码实践

我们可以使用Redis的分布式锁来实现分布式锁。示例代码如下:

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class RedisLockDemo {

    private static final String REDIS_LOCK_KEY = "redis_lock_key";
    private static final int EXPIRE_TIME = 60; // 锁的过期时间为60秒

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1", 6379);
        String requestId = String.valueOf(System.currentTimeMillis()); // 请求标识,用于释放锁时判断是否是同一请求
        boolean lockSuccess = false;
        try {
            // 加锁
            String result = jedis.set(REDIS_LOCK_KEY, requestId, "NX", "EX", EXPIRE_TIME);
            if ("OK".equals(result)) {
                lockSuccess = true;
                // TODO: 去数据库中查询数据,并将数据存入缓存中
            } else {
                // 未获取到锁,等待一段时间后重新尝试获取锁
                Thread.sleep(100);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放锁
            if (lockSuccess && requestId.equals(jedis.get(REDIS_LOCK_KEY))) {
                jedis.del(REDIS_LOCK_KEY);
            }
            jedis.close();
        }
    }
}

缓存雪崩

在高并发场景下,当某个时间段内大量的缓存失效时,所有查询请求都会直接打到数据库上,造成了数据库压力的极度增加,甚至会导致宕机等问题。

解决方案

可以采用多级缓存策略来解决缓存雪崩问题。具体步骤如下:

  1. 分为多个层级的缓存,包括本地缓存、分布式缓存等;
  2. 针对不同的缓存层级,设置不同的过期时间,较短的过期时间设置在高层级的缓存中,较长的过期时间设置在低层级的缓存中;
  3. 当请求进来时,先从低层级的缓存中查找,如果存在数据则直接返回;如果不存在,则逐级向高层级的缓存查询,遇到有效的缓存则返回,并将数据存入低层级的缓存中。

代码实践

我们可以使用Spring Boot框架中的Cache注解以及Redis作为分布式缓存来实现多级缓存策略。示例代码如下:

import org.springframework.cache.annotation.CacheConfig;
import org.springframework.cache.annotation.Cacheable;
import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "goods")
public class GoodsService {

    @Cacheable(key = "#id", unless = "#result == null")
    public Goods getGoodsById(int id) {
        // TODO: 查询数据库获取商品信息
        return new Goods(id, "商品" + id, BigDecimal.valueOf(100));
    }
}

在上述代码中,我们使用了@Cacheable注解,同时指定了缓存名称为"goods",并根据id设置缓存的key。在方法调用时,会先从缓存中查找是否存在对应的数据,如果存在则直接返回;如果不存在,则会调用方法体内的逻辑去数据库中查询数据,并将查询结果存入缓存中。由于我们使用了unless参数来判断返回的结果是否为空,因此当查询结果为null时,不会将对应的数据存入缓存中,避免了缓存雪崩问题。

此外,我们还需要在配置文件中设置缓存的过期时间,并将Redis作为分布式缓存。示例配置如下:

spring:
  cache:
    type: redis # 使用Redis作为分布式缓存
    redis:
      time-to-live: 60s # 过期时间为60秒

总结

针对缓存穿透、击穿和雪崩问题,我们可以采用布隆过滤器、分布式锁和多级缓存策略等技术手段来进行优化。在实际项目中,需要根据具体情况选择合适的解决方案,并进行适当的调整和配置,以达到最佳的性能和稳定性。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-417999.html

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