redis实战-缓存三剑客穿透击穿雪崩解决方案

雨点打透心脏的1/2处 2023-10-14 23:53 15阅读 0赞

# 缓存穿透 #

## 定义 ##

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，这些请求都会打到数据库，造成数据库压力，也让缓存没有发挥出应有的作用

## 解决方案 ##

*  缓存空对象

> 当我们客户端访问不存在的数据时，先请求redis，但是此时redis中没有数据，此时会访问到数据库，但是数据库中也没有数据，这个数据穿透了缓存，直击数据库，我们都知道数据库能够承载的并发不如redis这么高，如果大量的请求同时过来访问这种不存在的数据，这些请求就都会访问到数据库，这个数据即使数据库不存在，我们也把这个数据存入到redis中去，这样，**下次用户过来访问这个不存在的数据，那么在redis中也能找到这个数据就不会进入到缓存了，但这样缓存大量空对象也会消耗内存**

*  布隆过滤器

> 布隆过滤器其实采用的是哈希思想来解决这个问题，通过一个庞大的二进制数组，走哈希思想去判断当前这个要查询的这个数据是否存在，如果**布隆过滤器判断存在，则放行**，这个请求会去访问redis，哪怕此时redis中的数据过期了，但是数据库中一定存在这个数据，在数据库中查询出来这个数据后，再将其放入到redis中，假设布隆过滤器判断这个数据不存在，则直接返回，优点在于节约内存空间，但会存在误判，即过滤器判断该数据不存在是准确的，但判断存在时就不一定准确，误判原因在于：布隆过滤器走的是哈希思想，只要哈希思想，就可能存在哈希冲突

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## 解决思路 ##

在原来的逻辑中，我们如果发现这个数据在mysql中不存在，直接就返回404了，这样是会存在缓存穿透问题的

现在的逻辑中：如果这个数据不存在，我们不会返回404 ，还是会把这个数据写入到Redis中，并且将value设置为空，欧当再次发起查询时，我们如果发现命中之后，判断这个value是否是null，如果是null，则是之前写入的数据，证明是缓存穿透数据，如果不是，则直接返回数据。

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## 编码解决 ##

由于布隆过滤器实现得较为复杂，本项目采用方案一即数据库不存在数据时直接缓存空对象，对查询商铺信息方法进行改造

@Override
        public Result queryById(Long id) {
            //根据业务代码组装key
            String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
            //从redis中获取商铺信息
            String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
            //判断有值的情况
            if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
                //将json转化为shop对象直接返回
                Shop shop = JSONUtil.toBean(shopJson, Shop.class);
                return Result.ok(shop);
            }
            //对无值情况进行校验
            if(shopJson!=null){
                return Result.fail("店铺不存在");
            }
            Shop shop = getById(id);
            if (shop == null) {
                //将当前的key的空对象缓存到redis中，过期时间设置稍微短一点
                stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
                return Result.fail("店铺不存在");
            }
            //将数据库查询的数据写入缓存,并设置过期时间
            stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(shop), CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
            //返回
            return Result.ok(shop);
        }

# 缓存雪崩 #

## 定义 ##

缓存雪崩是指在同一时段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机，导致大量请求到达数据库，带来巨大压力。

## **解决方案** ##

*  给不同的Key的TTL添加随机值，使得key不会同时失效
 *  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

# 缓存击穿 #

## 定义 ##

缓存击穿问题也叫热点Key问题，就是一个被高并发访问并且缓存重建业务较复杂的key突然失效了，无数的请求访问会在瞬间给数据库带来巨大的冲击。比如双十一做活动的热门商品数据

情景分析：假设线程1在查询缓存之后，本来应该去查询数据库，然后把这个数据重新加载到缓存的，此时只要线程1走完这个逻辑，其他线程就都能从缓存中加载这些数据了，但是假设在**线程1没有走完的时候**，后续的线程2，线程3，线程4同时过来访问当前这个方法， 那么**这些线程都不能从缓存中查询到数据**，那么他们就会同一时刻来访问查询缓存，都没查到，接着**同一时间去访问数据库，同时的去执行数据库代码，对数据库访问压力过大**

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## 解决方案 ##

*  ### 互斥锁 ###

> 因为锁能实现互斥性。假设线程过来，只能一个人一个人的来访问数据库，从而避免对于数据库访问压力过大，但这也会影响查询的性能，因为此时会让查询的性能从并行变成了串行，我们可以采用tryLock方法 + double check来解决这样的问题。这一方案的好处是保证了数据的强一致性，也就是每个线程查询的数据都是最新的数据

#### 情景分析 ####

假设现在线程1过来访问，他查询缓存没有命中，但是此时他获得到了锁的资源，那么线程1就会一个人去执行逻辑，假设现在线程2过来，线程2在执行过程中，并没有获得到锁，那么线程2就可以进行到休眠，直到线程1把锁释放后，线程2获得到锁，然后再来执行逻辑，此时就能够从缓存中拿到数据了。

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#### 编码实现 ####

核心思路：相较于原来从缓存中查询不到数据后直接查询数据库而言，现在的方案是进行查询之后，如果从缓存没有查询到数据，则进行互斥锁的获取，获取互斥锁后，判断是否获得到了锁，如果没有获得到，则休眠，过一会再进行尝试，直到获取到锁为止，才能进行查询。如果获取到了锁的线程，再去进行查询，查询后将数据写入redis，再释放锁，返回数据，利用**互斥锁就能保证只有一个线程去执行操作数据库的逻辑，防止缓存击穿**

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操作锁的代码：

核心思路就是利用redis的setnx方法来表示获取锁，该方法含义是redis中如果没有这个key，则插入成功，返回1，**类似于mybatisplus的乐观锁**，在stringRedisTemplate中返回true， 如果有这个key则插入失败，则返回0，在stringRedisTemplate返回false，我们可以通过true，或者是false，来表示是否有线程成功插入key，成功插入的key的线程我们认为他就是获得到锁的线程。

private boolean tryLock(String key) {
        Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);
        return BooleanUtil.isTrue(flag);
    }
    
    private void unlock(String key) {
        stringRedisTemplate.delete(key);
    }

锁的代码应该尽量小规模，这里只在访问数据库的时候加上互斥锁

public Shop queryWithMutex(Long id) {
            //根据业务代码组装key
            String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
            //从redis中获取商铺信息
            String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
            //判断有值的情况
            if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
                //将json转化为shop对象直接返回
                Shop shop = JSONUtil.toBean(shopJson, Shop.class);
                return shop;
            }
            //对无值情况进行校验
            if (shopJson != null) {
                return null;
            }
            //拼装获取锁的key
            String lockKey = LOCK_SHOP_KEY + id;
    
            Shop shop = null;
            try {
                //获取锁
                boolean b = tryLock(lockKey);
                //获取锁失败要休眠然后继续重试，看缓存中是否已经被别的线程写入数据
                if (!b) {
                    Thread.sleep(50);
                    return queryWithMutex(id);
                }
                shop = getById(id);
                if (shop == null) {
                    //将当前的key的空对象缓存到redis中，过期时间设置稍微短一点
                    stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
                    return null;
                }
                //将数据库查询的数据写入缓存,并设置过期时间
                stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(shop), CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                unlock(lockKey);
            }
            //返回
            return shop;
        }

*  ### 逻辑过期方案 ###

> 我们之所以会出现这个缓存击穿问题，主要原因是在于我们对key设置了过期时间，假设我们不设置过期时间，其实就不会有缓存击穿的问题，但是不设置过期时间，这样数据不就一直占用我们内存了吗，我们可以采用逻辑过期方案，让热点key常驻于内存。

#### 情景分析 ####

过期时间设置在redis的value中，注意：这个过期时间并不会直接作用于redis，而是我们后续通过逻辑去处理。假设线程1去查询缓存，然后从value中判断出来当前的数据已经过期了，此时线程1去获得互斥锁，那么其他线程会进行阻塞，获得了锁的线程他会开启一个新线程去进行 以前的重构数据的逻辑，直到新开的线程完成这个逻辑后，才释放锁，而线程1直接进行返回数据，并不会阻塞等待，假设现在线程3过来访问，由于线程线程2持有着锁，所以线程3无法获得锁，线程3也直接返回数据，只有等到新开的线程2把重建数据构建完后，其他线程才能走返回正确的数据。也就是**该方案并不会像互斥锁那样，需要等待堵塞更新数据，导致性能下降，而是直接返回旧数据，但这也带来了数据的不一致性的问题。**

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#### 编码实现 ####

思路分析：当用户开始查询redis时，判断是否命中，如果没有命中则直接返回空数据，不查询数据库，而一旦命中后，将value取出，判断value中的过期时间是否满足，如果没有过期，则直接返回redis中的数据，如果过期，则在**开启独立线程后直接返回之前的数据，独立线程去重构数据**，重构完成后释放互斥锁。

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由于需要有逻辑过期的时间变量，需要拓展变量，这里采用redisdata的方式直接将shop封装成redisdata的成员变量，同时该对象具有过期时间这个变量

@Data
    public class RedisData {
        private LocalDateTime expireTime;
        private Object data;
    }

我们需要进行缓存预热，就是将热点key的数据提前存入redis中，这里使用单元测试将数据写入redis中，注意**写入的是redisdata这个对象**

@Override
        public void saveShopToRedis(Long id, Long expireSeconds) {
            Shop show = getById(id);
            //封装redisdata
            RedisData redisData = new RedisData();
            redisData.setData(show);
            redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(expireSeconds));
            stringRedisTemplate.opsForValue().set(CACHE_SHOP_KEY+id,JSONUtil.toJsonStr(redisData));
        }

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这里开启线程去构建新数据，采用的是开启线程池，节约资源

private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
    public Shop queryWithLogicalExpire( Long id ) {
        String key = CACHE_SHOP_KEY + 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);
        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，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){
    
            CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit( ()->{
    
                try{
                    //重建缓存
                    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;
    }

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