設(shè)計(jì)一個(gè)緩存系統(tǒng)，不得不要考慮的問(wèn)題就是：緩存穿透、緩存擊穿與失效時(shí)的雪崩效應(yīng)。

緩存穿透

緩存穿透是指查詢一個(gè)一定不存在的數(shù)據(jù)，由于緩存是不命中時(shí)被動(dòng)寫(xiě)的，并且出于容錯(cuò)考慮，如果從存儲(chǔ)層查不到數(shù)據(jù)則不寫(xiě)入緩存，這將導(dǎo)致這個(gè)不存在的數(shù)據(jù)每次請(qǐng)求都要到存儲(chǔ)層去查詢，失去了緩存的意義。在流量大時(shí)，可能DB就掛掉了，要是有人利用不存在的key頻繁攻擊我們的應(yīng)用，這就是漏洞。

解決方案

有很多種方法可以有效地解決緩存穿透問(wèn)題，最常見(jiàn)的則是采用布隆過(guò)濾器，將所有可能存在的數(shù)據(jù)哈希到一個(gè)足夠大的bitmap中，一個(gè)一定不存在的數(shù)據(jù)會(huì)被 這個(gè)bitmap攔截掉，從而避免了對(duì)底層存儲(chǔ)系統(tǒng)的查詢壓力。另外也有一個(gè)更為簡(jiǎn)單粗暴的方法（我們采用的就是這種），如果一個(gè)查詢返回的數(shù)據(jù)為空（不管是數(shù) 據(jù)不存在，還是系統(tǒng)故障），我們?nèi)匀话堰@個(gè)空結(jié)果進(jìn)行緩存，但它的過(guò)期時(shí)間會(huì)很短，最長(zhǎng)不超過(guò)五分鐘。

緩存雪崩

緩存雪崩是指在我們?cè)O(shè)置緩存時(shí)采用了相同的過(guò)期時(shí)間，導(dǎo)致緩存在某一時(shí)刻同時(shí)失效，請(qǐng)求全部轉(zhuǎn)發(fā)到DB，DB瞬時(shí)壓力過(guò)重雪崩。

解決方案

緩存失效時(shí)的雪崩效應(yīng)對(duì)底層系統(tǒng)的沖擊非常可怕。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者考慮用加鎖或者隊(duì)列的方式保證緩存的單線 程（進(jìn)程）寫(xiě)，從而避免失效時(shí)大量的并發(fā)請(qǐng)求落到底層存儲(chǔ)系統(tǒng)上。這里分享一個(gè)簡(jiǎn)單方案就時(shí)講緩存失效時(shí)間分散開(kāi)，比如我們可以在原有的失效時(shí)間基礎(chǔ)上增加一個(gè)隨機(jī)值，比如1-5分鐘隨機(jī)，這樣每一個(gè)緩存的過(guò)期時(shí)間的重復(fù)率就會(huì)降低，就很難引發(fā)集體失效的事件。

緩存擊穿

對(duì)于一些設(shè)置了過(guò)期時(shí)間的key，如果這些key可能會(huì)在某些時(shí)間點(diǎn)被超高并發(fā)地訪問(wèn)，是一種非常“熱點(diǎn)”的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候，需要考慮一個(gè)問(wèn)題：緩存被“擊穿”的問(wèn)題，這個(gè)和緩存雪崩的區(qū)別在于這里針對(duì)某一key緩存，前者則是很多key。

緩存在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)過(guò)期的時(shí)候，恰好在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)這個(gè)Key有大量的并發(fā)請(qǐng)求過(guò)來(lái)，這些請(qǐng)求發(fā)現(xiàn)緩存過(guò)期一般都會(huì)從后端DB加載數(shù)據(jù)并回設(shè)到緩存，這個(gè)時(shí)候大并發(fā)的請(qǐng)求可能會(huì)瞬間把后端DB壓垮。

解決方案

1.使用互斥鎖(mutex key)

業(yè)界比較常用的做法，是使用mutex。簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，就是在緩存失效的時(shí)候（判斷拿出來(lái)的值為空），不是立即去load db，而是先使用緩存工具的某些帶成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者M(jìn)emcache的ADD）去set一個(gè)mutex key，當(dāng)操作返回成功時(shí)，再進(jìn)行l(wèi)oad db的操作并回設(shè)緩存；否則，就重試整個(gè)get緩存的方法。

SETNX，是「SET if Not eXists」的縮寫(xiě)，也就是只有不存在的時(shí)候才設(shè)置，可以利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的效果。在redis2.6.1之前版本未實(shí)現(xiàn)setnx的過(guò)期時(shí)間，所以這里給出兩種版本代碼參考：

//2.6.1前單機(jī)版本鎖 Stringget(Stringkey){ Stringvalue=redis.get(key); if(value==null){ if(redis.setnx(key_mutex,"1")){ //3mintimeouttoavoidmutexholdercrash redis.expire(key_mutex,3*60) value=db.get(key); redis.set(key,value); redis.delete(key_mutex); }else{ //其他線程休息50毫秒后重試 Thread.sleep(50); get(key); } } }

最新版本代碼：

publicStringget(key){ Stringvalue=redis.get(key); if(value==null){//代表緩存值過(guò)期 //設(shè)置3min的超時(shí)，防止del操作失敗的時(shí)候，下次緩存過(guò)期一直不能loaddb if(redis.setnx(key_mutex,1,3*60)==1){//代表設(shè)置成功 value=db.get(key); redis.set(key,value,expire_secs); redis.del(key_mutex); }else{//這個(gè)時(shí)候代表同時(shí)候的其他線程已經(jīng)loaddb并回設(shè)到緩存了，這時(shí)候重試獲取緩存值即可 sleep(50); get(key);//重試 } }else{ returnvalue; } }

memcache代碼：

if(memcache.get(key)==null){ //3mintimeouttoavoidmutexholdercrash if(memcache.add(key_mutex,3*60*1000)==true){ value=db.get(key); memcache.set(key,value); memcache.delete(key_mutex); }else{ sleep(50); retry(); } }

2. "提前"使用互斥鎖(mutex key)：

在value內(nèi)部設(shè)置1個(gè)超時(shí)值(timeout1), timeout1比實(shí)際的memcache timeout(timeout2)小。當(dāng)從cache讀取到timeout1發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)過(guò)期時(shí)候，馬上延長(zhǎng)timeout1并重新設(shè)置到cache。然后再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)加載數(shù)據(jù)并設(shè)置到cache中。偽代碼如下：

v=memcache.get(key); if(v==null){ if(memcache.add(key_mutex,3*60*1000)==true){ value=db.get(key); memcache.set(key,value); memcache.delete(key_mutex); }else{ sleep(50); retry(); } }else{ if(v.timeout<=?now())?{?? ????????if?(memcache.add(key_mutex,?3?*?60?*?1000)?==?true)?{?? ????????????//?extend?the?timeout?for?other?threads?? ????????????v.timeout?+=?3?*?60?*?1000;?? ????????????memcache.set(key,?v,?KEY_TIMEOUT?*?2);?? ?? ????????????//?load?the?latest?value?from?db?? ????????????v?=?db.get(key);?? ????????????v.timeout?=?KEY_TIMEOUT;?? ????????????memcache.set(key,?value,?KEY_TIMEOUT?*?2);?? ????????????memcache.delete(key_mutex);?? ????????}?else?{?? ????????????sleep(50);?? ????????????retry();?? ????????}?? ????}?? }?

3. "永遠(yuǎn)不過(guò)期"：

這里的“永遠(yuǎn)不過(guò)期”包含兩層意思：

(1) 從redis上看，確實(shí)沒(méi)有設(shè)置過(guò)期時(shí)間，這就保證了，不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)key過(guò)期問(wèn)題，也就是“物理”不過(guò)期。

(2) 從功能上看，如果不過(guò)期，那不就成靜態(tài)的了嗎？所以我們把過(guò)期時(shí)間存在key對(duì)應(yīng)的value里，如果發(fā)現(xiàn)要過(guò)期了，通過(guò)一個(gè)后臺(tái)的異步線程進(jìn)行緩存的構(gòu)建，也就是“邏輯”過(guò)期

從實(shí)戰(zhàn)看，這種方法對(duì)于性能非常友好，唯一不足的就是構(gòu)建緩存時(shí)候，其余線程(非構(gòu)建緩存的線程)可能訪問(wèn)的是老數(shù)據(jù)，但是對(duì)于一般的互聯(lián)網(wǎng)功能來(lái)說(shuō)這個(gè)還是可以忍受。

Stringget(finalStringkey){ Vv=redis.get(key); Stringvalue=v.getValue(); longtimeout=v.getTimeout(); if(v.timeout<=?System.currentTimeMillis())?{?? ????????????//?異步更新后臺(tái)異常執(zhí)行?? ????????????threadPool.execute(new?Runnable()?{?? ????????????????public?void?run()?{?? ????????????????????String?keyMutex?=?"mutex:"?+?key;?? ????????????????????if?(redis.setnx(keyMutex,?"1"))?{?? ????????????????????????//?3?min?timeout?to?avoid?mutex?holder?crash?? ????????????????????????redis.expire(keyMutex,?3?*?60);?? ????????????????????????String?dbValue?=?db.get(key);?? ????????????????????????redis.set(key,?dbValue);?? ????????????????????????redis.delete(keyMutex);?? ????????????????????}?? ????????????????}?? ????????????});?? ????????}?? ????????return?value;?? }

4. 資源保護(hù)：

采用netflix的hystrix，可以做資源的隔離保護(hù)主線程池，如果把這個(gè)應(yīng)用到緩存的構(gòu)建也未嘗不可。

沒(méi)有最佳只有最合適

四種方案來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，詳文鏈接：http://carlosfu.iteye.com/blog/2269687

總結(jié)

針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，永遠(yuǎn)都是具體情況具體分析，沒(méi)有最好，只有最合適。

最后，對(duì)于緩存系統(tǒng)常見(jiàn)的緩存滿了和數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，需要根據(jù)具體業(yè)務(wù)分析，通常我們采用LRU策略處理溢出，Redis的RDB和AOF持久化策略來(lái)保證一定情況下的數(shù)據(jù)安全。

原文標(biāo)題：如何設(shè)計(jì)緩存系統(tǒng)：緩存穿透，緩存擊穿，緩存雪崩解決方案分析

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