缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩-Toy模板网

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缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩,Redis,缓存,redis,架构

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📕系列专栏：Redis

前言

一聊到redis，必不可少的就是缓存三兄弟的问题，即缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩，这三个问题在业务场景中相对来说比较常见的，也是比较基础的三种问题。那么这三种问题是如何引起的，并且应该如何解决，就是本章探讨的话题。

一、问题前引

大家都知道，Redis一般搭配MySQL来使用，来充当缓存处理一些业务数据。但为什么要Redis用来充当缓存呢，不能直接使用MySQL吗？

当然是可以的，但是对于一些请求量大并发次数高的场景就有问题了。

MySQL是基于磁盘的，请求查询速度偏慢，所以就需要一个基于内存的速度快的工具来缓存这些数据，Redis就应运而生了。而且当大量请求到来时，只有MySQL的话，有可能承受不住大量请求导致MySQL宕机，此时就会影响到整个服务器，所以Redis此时又充当了一个保护缓冲的作用。

二、缓存穿透

1. 问题描述

缓存穿透主要体现在穿透两个字上，穿透即为穿过缓存，打到数据库上。

当一个请求访问的时候，此时Redis没有缓存该数据，然后去数据库查询该数据也查询到，说明没有该数据。
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此时你或许还不以为然，不就一个空数据吗？多稀罕啊。

但如果该请求是恶意请求，此时无数条请求同时访问，缓存中没有，全部都会打在数据库上，刚好还是类似于

select * from table where name = "李白"

表中有1000万条数据，name字段也没有创建索引。这时候问题是不是就大了？服务器稍微差一点，就会直接宕机。
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这时你或许该问了，那该如何解决呢？不要急，机智的程序猿肯定有应对之法。

2. 问题解决

2.1 缓存空数据

如果此时将请求的数据缓存起来，是不是就可以避免请求打到数据库了？

你现在或许又要问了，空数据怎么缓存呢？没错，就是缓存空数据。

如果请求的数据查询数据为空的话，就将该数据为空值缓存到Redis中，以后每次请求都直接访问Redis，查询到该数据，直接返回空值。这样就避免恶意请求全部打到数据库了。
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2.2 布隆过滤器

不了解布隆过滤器的同学可以看这篇文章硬核 | Redis 布隆（Bloom Filter）过滤器原理与实战

布隆过滤器 (Bloom Filter)是由 Burton Howard Bloom 于 1970 年提出，它是一种 space efficient 的概率型数据结构，用于判断一个元素是否在集合中。

当布隆过滤器说，某个数据存在时，这个数据可能不存在；当布隆过滤器说，某个数据不存在时，那么这个数据一定不存在。

哈希表也能用于判断元素是否在集合中，但是布隆过滤器只需要哈希表的 1/8 或 1/4 的空间复杂度就能完成同样的问题。

布隆过滤器可以插入元素，但不可以删除已有元素。

其中的元素越多，false positive rate(误报率)越大，但是 false negative (漏报)是不可能的。
布隆过滤器原理

BloomFilter 的算法是，首先分配一块内存空间做 bit 数组，数组的 bit 位初始值全部设为 0。

加入元素时，采用 k 个相互独立的 Hash 函数计算，然后将元素 Hash 映射的 K 个位置全部设置为 1。

检测 key 是否存在，仍然用这 k 个 Hash 函数计算出 k 个位置，如果位置全部为 1，则表明 key 存在，否则不存在。

如下图所示：
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三、缓存击穿

1. 问题描述

缓存击穿一般常见于电商场景，在双十一和六一八这种大促活动中，缓存中会缓存一些热点数据，随时都有大量的请求访问这个数据。

当某个时刻这个数据突然过期，大量请求就会集中打到MySQL数据库中。
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如何解决这个问题呢？

2. 问题解决

该问题导致的原因是因为该缓存数据过期了，但却有大量请求访问该数据；

有两条思路去解决：

不让该数据过期
不让大量请求访问数据库

2.1 设置逻辑过期

热点数据随时都会有变化，不设置过期时间的话会导致更多问题，不能因此失彼。

但可以换一个思路，在数据过期时无缝衔接一个新数据，在请求看来这就是没有过期时间的一个数据。

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此时如果大量请求访问该数据，刚好该数据缓存逻辑过期，但没有设置物理过期时间，所以数据并不会被redis清除。

此时由业务代码去判断，该缓存是否过期，如果过期则获取互斥锁新建一个子线程去访问数据库重新设置缓存，主线程返回过期数据，没有获取互斥锁的都返回过期数据。

完整代码如下：

 //逻辑过期
    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.判断是否存在
        if (StrUtil.isBlank(shopJson)) {
            //3.未命中
            return null;
        }
        //4.命中，需要先把json反序列化为对象
        RedisData redisData = JSONUtil.toBean(shopJson, RedisData.class);
        Shop shop = (Shop) redisData.getData();
        LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
        //5.判断是否过期
        if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
            //5.1还未过期
            return shop;
        }
        //5.2已经过期，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 {
                    //重建缓存
                    this.saveShop2Redis(id, 20L);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //释放锁
                    unlock(lockKey);
                }
            });
        }
        //6.4返回过期的店铺信息
        //7.返回
        return shop;
    }

2.2 设置互斥锁

怎么才能不让大量数据去访问数据库呢？

或许大家已经想到了，上面设置逻辑过期用到过的一个功能：互斥锁。

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请求首先访问缓存，如果命中的话，直接返回该数据。

如果未命中的话，则去获取互斥锁，获取成功则查询数据库重新设置缓存，获取失败，则重试获取缓存数据。

完整代码如下：

/**
     * 通过互斥锁机制查询商铺信息
     * @param key
     */
    private Shop queryShopWithMutex(String key, String cityCode) {
        Shop shop = null;
        // 1.查询缓存
        String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
        // 2.判断缓存是否有数据
        if (StringUtils.isNotBlank(shopJson)) {
            // 3.有,则返回
            shop = JSONObject.parseObject(shopJson, Shop.class);
            return shop;
        }
        // 4.无,则获取互斥锁
        String lockKey = RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY + shopCode;
        Boolean isLock = tryLock(lockKey);
        // 5.判断获取锁是否成功
        try {
            if (!isLock) {
                // 6.获取失败, 休眠并重试
                Thread.sleep(100);
                return queryShopWithMutex(key, shopCode);
            }
            // 7.获取成功, 查询数据库
            shop = baseMapper.getByCode(shopCode);
            // 8.判断数据库是否有数据
            if (shop == null) {
                // 9.无,则将空数据写入redis
                stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", RedisConstants.CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
                return null;
            }
            // 10.有,则将数据写入redis
            stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONObject.toJSONString(shop), RedisConstants.CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            // 11.释放锁
            unLock(lockKey);
        }
        // 12.返回数据
        return shop;
    }