缓存雪崩、缓存穿透、缓存与数据库双写一致

2019年1月5日 62点热度 0条评论 来源: xk_一步一步来

阅读:数据库和缓存双写一致性方案解析
https://blog.csdn.net/qq_32534441/article/details/89681281

一、缓存雪崩

1.1 什么是缓存雪崩

回顾一下我们为什么要用缓存(redis):

现在有个问题,如果我们的缓存挂掉了,这意味着我们的全部请求都跑去数据库了

在前面学习我们都知道redis不可能把所有的数据都缓存起来(内存昂贵且有限),所以redis需要对数据设置过期时间,并采用的是惰性删除+定期删除两种策略对过期键删除(redis对过期键的策略+持久化)。

如果缓存数据设置的过期时间是相同的,并且redis恰好将这部分数据全部删光了。这就会导致在这段时间内,这些缓存同时失效,全部请求到数据库中。

这就是缓存雪崩

  • redis挂掉了,请求全部走数据库。
  • 对缓存数据设置相同的过期时间,导致某段时间内缓存失效,请求全部走数据库。

缓存雪崩如果发生了,很可能就把我们的数据库搞垮,导致整个服务瘫痪!

1.2 如何解决缓存雪崩

对于“对缓存数据设置相同的过期时间,导致某段时间内缓存失效,请求全部走数据库。”这种情况,非常好解决:

  • 在缓存的时候给过期时间加上一个随机值,这样就会大幅度的减少缓存在同一时间过期

对于“redis挂掉了,请求全部走数据库”这种情况,我们可以有以下的思路:

  • 事发前:实现redis的高可用(主从架构+Sentinel 或者Redis Cluster),尽量避免redis挂掉这种情况发生。
  • 事发中:万一redis真的挂了,我们可以设置本地缓存(ehcache)+限流(hystrix),尽量避免我们的数据库被干掉(起码能保证我们的服务还是能正常工作的)
  • 事发后:redis持久化,重启后自动从磁盘上加载数据,快速恢复缓存数据

二、缓存穿透

2.1 什么是缓存穿透

比如我们有一张数据库表,ID都是从1开始的(正数):

但是可能有黑客想把我的数据库搞垮,每次请求的ID都是负数。这会导致我的缓存就没用了,请求全部都找数据库去了,但数据库也没有这个值啊,所以每次都返回空出去。

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据。由于缓存不命中,并且出于容错考虑,如果从数据库查不到数据则不写入缓存,这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询,失去了缓存的意义。

这就是缓存穿透

  • 请求的数据在缓存中大量不命中,导致请求走数据库。

缓存穿透如果发生了,也可能把我们的数据库搞垮,导致整个服务瘫痪!

2.2 如何解决缓存穿透

解决缓存穿透也有两种方案:

  • 由于请求的参数是不合法的(每次都请求不存在的参数),于是我们可以使用布隆过滤器(BloomFilter)或者压缩filter提前拦截,不合法就不让这个请求到数据库层!
  • 当我们从数据库找不到的时候,我们也将这个空对象设置到缓存里边去。下次再请求的时候,就可以从缓存里边获取了。
  • 这种情况我们一般会将空对象设置一个较短的过期时间

参考资料:缓存系列文章--5.缓存穿透问题

三、缓存击穿

缓存击穿,就是说某个 key 非常热点,访问非常频繁,处于集中式高并发访问的情况,当这个 key 在失效的瞬间,大量的请求就击穿了缓存,直接请求数据库,就像是在一道屏障上凿开了一个洞。

解决方式也很简单,可以将热点数据设置为永远不过期;或者基于 redis or zookeeper 实现互斥锁,等待第一个请求构建完缓存之后,再释放锁,进而其它请求才能通过该 key 访问数据。

解决方案

1.使用互斥锁(mutex key)

业界比较常用的做法,是使用mutex。简单地来说,就是在缓存失效的时候(判断拿出来的值为空),不是立即去load db,而是先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作(比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD)去set一个mutex key,当操作返回成功时,再进行load db的操作并回设缓存;否则,就重试整个get缓存的方法。

SETNX,是「SET if Not eXists」的缩写,也就是只有不存在的时候才设置,可以利用它来实现锁的效果。在redis2.6.1之前版本未实现setnx的过期时间,所以这里给出两种版本代码参考:

//2.6.1前单机版本锁
String get(String key) {  
   String value = redis.get(key);  
   if (value  == null) {  
    if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {  
        // 3 min timeout to avoid mutex holder crash  
        redis.expire(key_mutex, 3 * 60)  
        value = db.get(key);  
        redis.set(key, value);  
        redis.delete(key_mutex);  
    } else {  
        //其他线程休息50毫秒后重试  
        Thread.sleep(50);  
        get(key);  
    }  
  }  
}

最新版本代码:

public String get(key) {
      String value = redis.get(key);
      if (value == null) { //代表缓存值过期
          //设置3min的超时,防止del操作失败的时候,下次缓存过期一直不能load db
		  if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) {  //代表设置成功
               value = db.get(key);
                      redis.set(key, value, expire_secs);
                      redis.del(key_mutex);
              } else {  //这个时候代表同时候的其他线程已经load db并回设到缓存了,这时候重试获取缓存值即可
                      sleep(50);
                      get(key);  //重试
              }
          } else {
              return value;      
          }
 }

memcache代码:

if (memcache.get(key) == null) {  
    // 3 min timeout to avoid mutex holder crash  
    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"使用互斥锁(mutex key):

在value内部设置1个超时值(timeout1), timeout1比实际的memcache timeout(timeout2)小。当从cache读取到timeout1发现它已经过期时候,马上延长timeout1并重新设置到cache。然后再从数据库加载数据并设置到cache中。伪代码如下:

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. "永远不过期":  

这里的“永远不过期”包含两层意思:

(1) 从redis上看,确实没有设置过期时间,这就保证了,不会出现热点key过期问题,也就是“物理”不过期。

(2) 从功能上看,如果不过期,那不就成静态的了吗?所以我们把过期时间存在key对应的value里,如果发现要过期了,通过一个后台的异步线程进行缓存的构建,也就是“逻辑”过期

        从实战看,这种方法对于性能非常友好,唯一不足的就是构建缓存时候,其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据,但是对于一般的互联网功能来说这个还是可以忍受。

String get(final String key) {  
        V v = redis.get(key);  
        String value = v.getValue();  
        long timeout = v.getTimeout();  
        if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {  
            // 异步更新后台异常执行  
            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. 资源保护:

采用netflix的hystrix,可以做资源的隔离保护主线程池,如果把这个应用到缓存的构建也未尝不可。

四种解决方案:没有最佳只有最合适

解决方案 优点 缺点
简单分布式互斥锁(mutex key)

 1. 思路简单

2. 保证一致性

1. 代码复杂度增大

2. 存在死锁的风险

3. 存在线程池阻塞的风险

“提前”使用互斥锁  1. 保证一致性 同上 
不过期(本文)

1. 异步构建缓存,不会阻塞线程池

1. 不保证一致性。

2. 代码复杂度增大(每个value都要维护一个timekey)。

3. 占用一定的内存空间(每个value都要维护一个timekey)。

资源隔离组件hystrix(本文)

1. hystrix技术成熟,有效保证后端。

2. hystrix监控强大。

 

 

1. 部分访问存在降级策略。

四种方案来源网络,详文请链接:http://carlosfu.iteye.com/blog/2269687?hmsr=toutiao.io&utm_medium=toutiao.io&utm_source=toutiao.io

总结

针对业务系统,永远都是具体情况具体分析,没有最好,只有最合适。

最后,对于缓存系统常见的缓存满了和数据丢失问题,需要根据具体业务分析,通常我们采用LRU策略处理溢出,Redis的RDB和AOF持久化策略来保证一定情况下的数据安全。

三、缓存与数据库双写一致

3.1 读操作的流程

上面讲缓存穿透的时候也提到了:如果从数据库查不到数据则不写入缓存。

一般我们对读操作的时候有这么一个固定的套路

  • 如果我们的数据在缓存里边有,那么就直接取缓存的。
  • 如果缓存里没有我们想要的数据,我们会先去查询数据库,然后将数据库查出来的数据写到缓存中
  • 最后将数据返回给请求。

3.2 什么是缓存与数据库双写一致问题

如果仅仅查询的话,缓存的数据和数据库的数据是没问题的。但是,当我们要更新时候呢?各种情况很可能就造成数据库和缓存的数据不一致了。这里不一致指的是:数据库的数据跟缓存的数据不一致

从理论上说,只要我们设置了键的过期时间,我们就能保证缓存和数据库的数据最终是一致的。因为只要缓存数据过期了,就会被删除。随后读的时候,因为缓存里没有,就可以查数据库的数据,然后将数据库查出来的数据写入到缓存中。

除了设置过期时间,我们还需要做更多的措施来尽量避免数据库与缓存处于不一致的情况发生。

3.3 对于更新操作

一般来说,执行更新操作时,我们会有两种选择:

  • 先操作数据库,再操作缓存
  • 先操作缓存,再操作数据库

首先,要明确的是,无论我们选择哪个,我们都希望这两个操作要么同时成功,要么同时失败。所以,这会演变成一个分布式事务的问题。

所以,如果原子性被破坏了,可能会有以下的情况:

  • 操作数据库成功了,操作缓存失败了
  • 操作缓存成功了,操作数据库失败了

如果第一步已经失败了,我们直接返回Exception数去就好了,第二步根本不会执行。

下面我们具体来分析一下吧。

3.3.1 操作缓存

操作缓存也有两种方案:

  • 更新缓存
  • 删除缓存

一般我们都是采取删除缓存缓存策略的,原因如下:

  1. 高并发环境下,无论是先操作数据库还是后操作数据库而言,如果加上更新缓存,那就更加容易导致数据库与缓存数据不一致问题。(删除缓存直接和简单很多);
  2. 如果每次更新了数据库,都要更新缓存【这里指的是频繁更新的场景,这会耗费一定的性能】,倒不如直接删除掉。等再次读取时,缓存里没有,那我到数据库找,在数据库找到再写到缓存里边(体现懒加载)。

基于这两点,对于缓存在更新时而言,都是建议执行删除操作!

3.3.2 先更新数据库,再删除缓存

正常的情况时这样的:

  • 先操作数据库,成功;
  • 再删除缓存,也成功。

如果原子性被破坏了:

  • 第一步成功(操作数据库),第二步失败(删除缓存),会导致数据库里是新数据,而缓存里是旧数据
  • 如果第一步(操作数据库)就失败了,我们可以直接返回错误(Exception),不会出现数据不一致。

如果在高并发的场景下,出现数据库与缓存数据不一致的概率特别低,也不是没有:

  • 缓存刚好失效
  • 线程A查询数据库,得一个旧值
  • 线程B将新值写入数据库
  • 线程B删除缓存
  • 线程A将查到得旧值写入缓存

要达成上述情况,还是说一句概率特别低

因为这个条件需要发生在读缓存时缓存失效,而且并发着有一个写操作。而实际上数据库的写操作会比读操作慢得多,而且还要锁表,而读操作必需在写操作前进入数据库操作,而又要晚于写操作更新缓存,所有的这些条件都具备的概率基本并不大。

对于这种策略,其实是一种设计模式:Cache Aside Pattern

删除缓存失败的解决思路

  • 将需要删除的key发送到消息队列中
  • 自己消费消息,获得需要删除的key
  • 不断重试删除操作,直到成功

3.3.3 先删除缓存,再更新数据库

正常情况是这样的:

  • 先删除缓存,成功;
  • 再更新数据库,也成功。

如果原子性被破坏了:

  • 第一步成功(删除缓存),第二步失败(更新数据库),数据库和缓存的数据还是一致的。
  • 如果第一步(删除缓存)就失败了,我们可以直接返回错误(Exception),数据库和缓存的数据还是一致的。

看起来是很美好,但是我们在并发场景下分析一下,就知道还是有问题的了:

  • 线程A删除了缓存
  • 线程B查询,发现缓存已不存在
  • 线程B去数据库查询得到旧值
  • 线程B将旧值写入缓存
  • 线程A将新值写入数据库

所以也会导致数据库和缓存不一致的问题。

并发下解决数据库与缓存不一致的思路

  • 将删除缓存、修改数据库、读取缓存等的操作积压到队列里边,实现串行化

3.4 对比两种策略

我们可以发现,两种策略各自有优缺点:

  • 先删除缓存,再更新数据库:在高并发下表现不如意,在原子性被破坏时表现优异;
  • 先更新数据库,再删除缓存(Cache Aside Pattern设计模式):在高并发下表现优异,在原子性被破坏时表现不如意。

3.5 其他保障数据一致的方案与资料

可以用databus或者阿里的canal监听binlog进行更新。

参考资料:

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本文转载于面试前必须要知道的Redis面试题​​​​​​​

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    原文作者:xk_一步一步来
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