Redis之缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透问题

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前言

本文谈谈Redis缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透问题

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一、缓存雪崩

1.1、原因分析

缓存雪崩指的是在同一时间段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机，导致大量请求到达数据库，带来巨大的压力

2.2、常用解决方案

• 给不同的Key的TTL添加随机值
• 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

二、缓存击穿

2.1、原因分析

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

逻辑分析：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；
如图：

2.2、常用解决方案

2.2.1、使用互斥锁

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，但是这也会影响性能，因为此时会让查询的性能从并行变成串行，所以我们可以采用tryLock方法+double check来解决这样的问题

逻辑分析：
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。
如图：

2.2.2、逻辑过期方案

方案分析：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。我们把过期时间设置在 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 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，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。
这种方案巧妙在于，异步的构建缓存，缺点在于在构建完缓存之前，返回的都是脏数据。

2.3、方案对比

解决方案	优点	缺点
互斥锁	没有额外的内存消耗、保证一致性、实现简单	线程需要等待，性能受影响、可能有死锁的风险
互斥锁	线程无需等待，性能较好	可能脏读、有额外的内存消耗、实现复杂

三、缓存穿透

3.1、原因分析

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。

3.2、解决方案

3.2.1、缓存空对象

方案分析：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，简单的解决方案就是哪怕这个数据在数据库中也不存在，我们也把这个数据值为null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；
原始逻辑图：
缓存空对象逻辑图：

3.2.3、布隆过滤

方案分析：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；
这种方式优点在于节约内存空间，存在误判，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
原始逻辑图：
布隆过滤逻辑图：

3.3、方案对比

解决方案	优点	缺点
缓存空对象	实现简单、维护方便	额外的内存消耗、可能造成短期不一致
布隆过滤	内存占用较少，没有多余的key	实现复杂、可能引发哈希冲突导致误判

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总结

简单理解缓存雪崩和缓存击穿的区别就是雪崩是多个key失效或者Redis宕机，而缓存击穿是一个被高并发访问的key失效导致给数据库造成巨大压力，而缓存穿透指的是一个在redis和数据库都不存在的数据被高并发访问而导致给数据库造成压力。