百万QPS系统的缓存实践

2021-03-23 10:31:55 浏览数 (1)

标题有些吸引眼球了，但并不浮夸，甚至还会远远超过百万，现在的平均响应时间在1ms内，0.08ms左右

如此高的QPS，如此低的AVG,为什么会有如此效果，关键点可能就在多级缓存上

在开发高并发系统时有三把利器用来保护系统:缓存、降级和限流

概述

上图基本上就是查询的通用方案，缓存中是否存在，存在就返回，不存在再查询Db,查询到的结果load进缓存

实践

缓存，逃不过三种操作，创建、查询、删除

此实践可能不保证全场景通用，但满足当前系统各项指标，当然没有完美的方案，只有适合的方案。

下面的时序图中，cache lv1是指本地缓存，cache lv2是cache cluster

查询

查询过程：

从一级缓存开始查，如果没有，再向下一级查询，直到db

注意点：

  1. 一直查到db时，需要回源各级cache
  2. 防止击穿，需要在cache中填充value

创建

创建过程：

  1. 创建cacheObject
  2. 放入Db(为了性能，以及db的降级，这儿可以引入异步开关)
  3. 放入cache lv2
  4. 放入cache lv1
  5. publish创建成功消息
  6. 消息监听服务会通知其它服务更新本地缓存

注意点：

  1. 到底是先放入Db,还是先放入cache
  2. db与cache的一致性保障

删除

删除过程：

  1. 通过key查询cacheobject
  2. 清除db
  3. 清除各级cache
  4. publish消除成功消息
  5. 监听服务清除其它服务的本地缓存

注意点：

  1. 先清除db还是cache
  2. Db与cache的一致性保障

缓存操作模式

除了创建，查询，删除，还有更新操作；但我们业务场景没有。

对于我们的实践是不是放之四海而皆准，肯定是不行的。不以业务为基础的设计都是无根之木

先看下业界常见的操作缓存模式

更新缓存的的Design Pattern有四种：Cache aside, Read through, Write through, Write behind caching

Cache aside

  • 失效：应用程序先从cache取数据，没有得到，则从数据库中取数据，成功后，放到缓存中。
  • 命中：应用程序从cache中取数据，取到后返回。
  • 更新：先把数据存到数据库中，成功后，再让缓存失效。

这是标准的design pattern，包括Facebook的论文《Scaling Memcache at Facebook》也使用了这个策略。为什么不是写完数据库后更新缓存？你可以看一下Quora上的这个问答《Why does Facebook use delete to remove the key-value pair in Memcached instead of updating the Memcached during write request to the backend?》，主要是怕两个并发的写操作导致脏数据。

那么，是不是Cache Aside这个就不会有并发问题了？不是的，比如，一个是读操作，但是没有命中缓存，然后就到数据库中取数据，此时来了一个写操作，写完数据库后，让缓存失效，然后，之前的那个读操作再把老的数据放进去，所以，会造成脏数据。

但，这个case理论上会出现，不过，实际上出现的概率可能非常低，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，而读操作必须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。

Cache Aside，我们的应用代码需要维护两个数据存储，一个是缓存（Cache），一个是数据库（Repository）。所以，应用程序比较啰嗦。而Read/Write Through套路是把更新数据库（Repository）的操作由缓存自己代理了，所以，对于应用层来说，就简单很多了。可以理解为，应用认为后端就是一个单一的存储，而存储自己维护自己的Cache。

Read Through

Read Through 套路就是在查询操作中更新缓存，也就是说，当缓存失效的时候（过期或LRU换出），Cache Aside是由调用方负责把数据加载入缓存，而Read Through则用缓存服务自己来加载，从而对应用方是透明的。

这似乎很像guave的LoadCache

Write Through

Write Through 套路和Read Through相仿，不过是在更新数据时发生。当有数据更新的时候，如果没有命中缓存，直接更新数据库，然后返回。如果命中了缓存，则更新缓存，然后再由Cache自己更新数据库（这是一个同步操作）

Write Back

在更新数据的时候，只更新缓存，不更新数据库，而我们的缓存会异步地批量更新数据库。这个设计的好处就是让数据的I/O操作飞快无比（因为直接操作内存嘛 ），因为异步，write backg还可以合并对同一个数据的多次操作，所以性能的提高是相当可观的。

在wikipedia上有一张write back的流程图，基本逻辑如下：

在游戏开发中基本上都是使用这种模式

但他也有缺点：

  1. 数据不是强一致性
  2. 数据可能会丢失
  3. 逻辑比较复杂

争论

  1. 一致性问题 这儿的一致性是说强一致性，在分布式环境下，保证强一致性促使系统复杂性增加，或者性能有所下降。所以现在一般对非强制性业务场景都使用最终一致性解决。一致性的解读可以看看《zookeeper-paxos》，在我们实践时，在删除操作时，在清理失败时也通过补偿操作去尝试清除。
  2. 到底是update cache,还是delete cache 其实任务技术手段都是看业务场景的，不能一概而论
    • update cache 这个在并发写时，A1写db，B1写db，B2写cache，A2写cache；这时就出现db与Cache不一致的问题 主动更新缓存，如果cacheobject复杂，需要Db与cache的多次交互，虽然减少了一次cache miss，但却增加了系统复杂度，得不偿失
    • delete cache 这个不会有不一致问题了，但会造成cache miss，会不会造成热key穿透？
  3. 是先操作Db,还是cache 假设先操作cache，再操作db;A B并发操作，A1 delete cache； B1 get cache --> miss --> select db --> load cache；A2 delete db; 此种情况就出现此key一直有效状态，如果没有设置超时时间，那会长期在缓存中。这是不是得先操作db呢？ 一个操作先update db,再delte cache时失败了；那会数据库里是新数据，而缓存里是旧数据，业务无法接受。那是不是该先操作缓存呢？

是不是已经晕头了呢？

再有db主从架构中，主从不一致的情况，是不是没法玩了

所以还是开篇讲的没有放之四海而皆准的方案，只能寻找最适合的方案

在各种业务场景下，还是需要去寻找一些最佳实践，比如关注一下缓存过期策略、设置缓存过期时间

参考资料

缓存更新的套路

A beginner’s guide to Cache synchronization strategies

缓存 memcached 数据库 sql

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