缓存击穿！竟然不知道怎么写代码？？？

深藏阁楼爱情的钟 2022-10-10 11:16 183阅读 0赞

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在`Redis`中有三大问题：`缓存雪崩`、`缓存击穿`、`缓存穿透`，今天我们来聊聊`缓存击穿`。

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关于缓存击穿相关理论文章，相信大家已经看过不少，但是具体代码中是怎么实现的，怎么解决的等问题，可能就一脸懵逼了。

今天，老田就带大家来看看，缓存击穿解决和代码实现。

## 场景 ##

请看下面这段代码：

/** 
     * @author 田维常
     * @公众号 java后端技术全栈
     * @date 2021/6/27 15:59
     */
    @Service
    public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService {
    
        @Resource
        private UserMapper userMapper;
        @Resource
        private RedisTemplate<Long, String> redisTemplate;
    
        @Override
        public UserInfo findById(Long id) {
            //查询缓存
            String userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
            //如果缓存中不存在，查询数据库
            //1
            if (isEmpty(userInfoStr)) {
                UserInfo userInfo = userMapper.findById(id);
                //数据库中不存在
                if(userInfo == null){
                      return null;
                }
                userInfoStr = JSON.toJSONString(userInfo);
                //2
                //放入缓存
                redisTemplate.opsForValue().set(id, userInfoStr);
            }
            return JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
        }
    
        private boolean isEmpty(String string) {
            return !StringUtils.hasText(string);
        }
    }

整个流程：

![36f7d312627618916df7b82270a8225b.png][]

如果，在`//1`到`//2`之间耗时1.5秒，那就代表着在这1.5秒时间内所有的查询都会走查询数据库。这也就是我们所说的缓存中的“`缓存击穿`”。

其实，你们项目如果并发量不是很高，也不用怕，并且我见过很多项目也就差不多是这么写的，也没那么多事，毕竟只是第一次的时候可能会发生缓存击穿。

但，我们也不要抱着一个侥幸的心态去写代码，既然是多线程导致的，估计很多人会想到锁，下面我们使用锁来解决。

## 改进版 ##

既然使用到锁，那么我们第一时间应该关心的是锁的粒度。

如果我们放在方法`findById`上，那就是所有查询都会有锁的竞争，这里我相信大家都知道我们为什么不放在方法上。

/** 
     * @author 田维常
     * @公众号 java后端技术全栈
     * @date 2021/6/27 15:59
     */
    @Service
    public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService {
    
        @Resource
        private UserMapper userMapper;
        @Resource
        private RedisTemplate<Long, String> redisTemplate;
    
        @Override
        public UserInfo findById(Long id) {
            //查询缓存
            String userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
            if (isEmpty(userInfoStr)) {
                //只有不存的情况存在锁
                synchronized (UserInfoServiceImpl.class){
                    UserInfo userInfo = userMapper.findById(id);
                    //数据库中不存在
                    if(userInfo == null){
                         return null;
                    }
                    userInfoStr = JSON.toJSONString(userInfo);
                    //放入缓存
                    redisTemplate.opsForValue().set(id, userInfoStr);
                }
            }
            return JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
        }
    
        private boolean isEmpty(String string) {
            return !StringUtils.hasText(string);
        }
    }

看似解决问题了，其实，问题还是没得到解决，还是会缓存击穿，因为排队获取到锁后，还是会执行同步块代码，也就是还会查询数据库，完全没有解决缓存击穿。

## 双重检查锁 ##

由此，我们引入`双重检查锁`，我们在上的版本中进行稍微改变，在同步模块中再次校验缓存中是否存在。

/** 
     * @author 田维常
     * @公众号 java后端技术全栈
     * @date 2021/6/27 15:59
     */
    @Service
    public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService {
    
        @Resource
        private UserMapper userMapper;
        @Resource
        private RedisTemplate<Long, String> redisTemplate;
    
        @Override
        public UserInfo findById(Long id) {
            //查缓存
            String userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
            //第一次校验缓存是否存在
            if (isEmpty(userInfoStr)) {
                //上锁
                synchronized (UserInfoServiceImpl.class){ 
                    //再次查询缓存，目的是判断是否前面的线程已经set过了
                    userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
                    //第二次校验缓存是否存在
                    if (isEmpty(userInfoStr)) {
                        UserInfo userInfo = userMapper.findById(id);
                        //数据库中不存在
                        if(userInfo == null){
                            return null;
                        }
                        userInfoStr = JSON.toJSONString(userInfo);
                        //放入缓存
                        redisTemplate.opsForValue().set(id, userInfoStr);
                    }
                }
            }
            return JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
        }
    
        private boolean isEmpty(String string) {
            return !StringUtils.hasText(string);
        }
    }

这样，看起来我们就解决了缓存击穿问题，大家觉得解决了吗？

## 恶意攻击 ##

回顾上面的案例，在正常的情况下是没问题，但是一旦有人恶意攻击呢？

> 比如说：入参id=10000000，在数据库里并没有这个id，怎么办呢？
> 
> 第一步、缓存中不存在
> 
> 第二步、查询数据库
> 
> 第三步、由于数据库中不存在，直接返回了，并没有操作缓存
> 
> 第四步、再次执行第一步.....死循环了吧

### 方案1：设置空对象 ###

就是当缓存中和数据库中都不存在的情况下，以id为key，空对象为value。

> `set(id,空对象);`

回到上面的四步，就变成了。

> 比如说：入参`id=10000000`，在数据库里并没有这个id，怎么办呢？
> 
> 第一步、缓存中不存在
> 
> 第二步、查询数据库
> 
> 第三步、由于数据库中不存在，以id为`key`，空对象为`value`放入缓存中
> 
> 第四步、执行第一步，此时，缓存就存在了，只是这时候只是一个空对象。

代码实现部分：

/** 
     * @author 田维常
     * @公众号 java后端技术全栈
     * @date 2021/6/27 15:59
     */
    @Service
    public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService {
    
        @Resource
        private UserMapper userMapper;
        @Resource
        private RedisTemplate<Long, String> redisTemplate; 
    
        @Override
        public UserInfo findById(Long id) {
            String userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
            //判断缓存是否存在，是否为空对象
            if (isEmpty(userInfoStr)) {
                synchronized (UserInfoServiceImpl.class){
                    userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
                    if (isEmpty(userInfoStr)) {
                        UserInfo userInfo = userMapper.findById(id);
                        if(userInfo == null){
                            //构建一个空对象
                            userInfo= new UserInfo();
                        }
                        userInfoStr = JSON.toJSONString(userInfo);
                        redisTemplate.opsForValue().set(id, userInfoStr);
                    }
                }
            }
            UserInfo userInfo = JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
            //空对象处理
            if(userInfo.getId() == null){
                return null;
            }
            return JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
        }
    
        private boolean isEmpty(String string) {
            return !StringUtils.hasText(string);
        }
    }

###  ###

### 方案2 布隆过滤器 ###

布隆过滤器(`Bloom Filter`):是一种空间效率极高的概率型算法和数据结构，用于判断一个元素是否在集合中（类似`Hashset`）。它的核心一个很长的二进制向量和一系列`hash函数`，数组长度以及`hash函数`的个数都是动态确定的。

> Hash函数：`SHA1`，`SHA256`，`MD5`..

布隆过滤器的用处就是，能够迅速判断一个元素是否在一个集合中。因此他有如下三个使用场景:

*  网页爬虫对`URL`的去重，避免爬取相同的`URL`地址
 *  反垃圾邮件，从数十亿个垃圾邮件列表中判断某邮箱是否垃圾邮箱（垃圾短信）
 *  缓存击穿，将已存在的缓存放到布隆过滤器中，当黑客访问不存在的缓存时迅速返回避免缓存及DB挂掉。

其内部维护一个全为0的`bit数组`，需要说明的是，布隆过滤器有一个误判率的概念，误判率越低，则数组越长，所占空间越大。误判率越高则数组越小，所占的空间越小。布隆过滤器的相关理论和算法这里就不聊了，感兴趣的可以自行研究。

优势和劣势

`优势`

*  全量存储但是不存储元素本身，在某些对保密要求非常严格的场合有优势；
 *  空间高效率
 *  插入/查询时间都是常数`O(k)`,远远超过一般的算法

`劣势`

*  存在误算率(`False Positive`),默认`0.03`，随着存入的元素数量增加，误算率随之增加；
 *  一般情况下不能从布隆过滤器中删除元素；
 *  数组长度以及hash函数个数确定过程复杂；

代码实现：

/** 
     * @author 田维常
     * @公众号 java后端技术全栈
     * @date 2021/6/27 15:59
     */
    @Service
    public class UserInfoServiceImpl implements UserInfoService {
    
        @Resource
        private UserMapper userMapper;
        @Resource
        private RedisTemplate<Long, String> redisTemplate;
        private static Long size = 1000000000L;
    
        private static BloomFilter<Long> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.longFunnel(), size);
    
        @Override
        public UserInfo findById(Long id) {
            String userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
            if (isEmpty(userInfoStr)) {
                //校验是否在布隆过滤器中
                if(bloomFilter.mightContain(id)){
                    return null;
                }
                synchronized (UserInfoServiceImpl.class){
                    userInfoStr = redisTemplate.opsForValue().get(id);
                    if (isEmpty(userInfoStr) ) {
                        if(bloomFilter.mightContain(id)){
                            return null;
                        }
                        UserInfo userInfo = userMapper.findById(id);
                        if(userInfo == null){
                            //放入布隆过滤器中
                            bloomFilter.put(id);
                            return null;
                        }
                        userInfoStr = JSON.toJSONString(userInfo);
                        redisTemplate.opsForValue().set(id, userInfoStr);
                    }
                }
            }
            return JSON.parseObject(userInfoStr, UserInfo.class);
        } 
        private boolean isEmpty(String string) {
            return !StringUtils.hasText(string);
        }
    }

### 方案3 互斥锁 ###

使用`Redis`实现分布式的时候，有用到`setnx`，这里大家可以想象，我们是否可以使用这个分布式锁来解决缓存击穿的问题？

这个方案留给大家去实现，只要掌握了`Redis`的分布式锁，那这个实现起来就非常简单了。

## 总结 ##

搞定`缓存击穿`、使用`双重检查锁`的方式来解决，看到`双重检查锁`，大家肯定第一印象就会想到`单例模式`，这里也算是给大家复习一把双重检查锁的使用。

由于恶意攻击导致的缓存击穿，解决方案我们也实现了两种，至少在工作和面试中，肯定是能应对了。

另外，使用锁的时候注意`锁的力度`，这里建议换成`分布式锁`(`Redis`或者`Zookeeper`实现)，因为我们既然引入缓存，大部分情况下都会是部署多个节点的，同时，引入分布式锁了，我们就可以使用方法`入参id`用起来，这样是不是更爽！

希望大家能领悟到的是文中的一些思路，并不是死记硬背技术。

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