Redis面试（五）：缓存异常（一）

2023-09-25 08:31:31 浏览数 (2)

4. 缓存异常[❤️]

缓存异常有四种类型，分别是 缓存穿透、缓存雪崩、缓存击穿、缓存和数据库的数据不一致。

4.1 缓存穿透

4.1.1 介绍

先来看一个常见的缓存使用方式：读请求来了，先查下缓存，缓存有值命中，就直接返回；缓存没命中，就去查数据库，然后把数据库的值更新到缓存，再返回。

缓存穿透：指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时需要从数据库查询，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，进而给数据库带来压力。

通俗点说，读请求访问时，缓存和数据库都没有某个值，这样就会导致每次对这个值的查询请求都会穿透到数据库，这就是缓存穿透。

缓存穿透一般都是这几种情况产生的：

  • 业务不合理的设计，比如大多数用户都没开守护，但是你的每个请求都去缓存，查询某个userid查询有没有守护。
  • 业务/运维/开发失误的操作，比如缓存和数据库的数据都被误删除了。
  • 黑客非法请求攻击，比如黑客故意捏造大量非法请求，以读取不存在的业务数据。
4.1.2 解决方案
  1. 将无效的key存放进Redis中 当出现 Redis 查不到数据，数据库也查不到数据的情况，我们就把这个 key 保存到 Redis 中，设置 value="null"，并设置其过期时间极短，后面再出现查询这个 key 的请求的时候，直接返回 null，就不需要再查询数据库了。 但这种处理方式是有问题的，假如传进来的这个不存在的 Key 值每次都是随机的，那存进 Redis 也没有意义。
  • 使用布隆过滤器快速判断数据是否存在。即一个查询请求过来时，先通过布隆过滤器判断值是否存在，存在才继续往下查。

布隆过滤器原理： 它由初始值为0的位图数组和N个哈希函数组成。 对一个key进行N个hash算法获取N个值，在比特数组中将这N个值散列后设定为1，然后查的时候如果特定的这几个位置都为1，那么布隆过滤器判断该key存在。 如果有不为1 的，那么这个key一定不存在，如果都为1，那么这个key可能存在。

如何选择这两种方案呢？

针对一些恶意攻击，攻击带过来的大量 key 是随机，如果我们采用第一种方案就会缓存大量不存在 key 的数据，所以这种方案就不合适了，我们可以先对使用布隆过滤器方案进行过滤掉这些 key。所以，针对这种 key 异常多、请求重复率比较低的数据，优先使用第二种方案直接过滤掉。

而对于空数据的 key 有限的，重复率比较高的，则可优先采用第一种方式进行缓存。

4.2 缓存雪崩

4.2.1 介绍

缓存雪崩： 指缓存中数据大批量到过期时间，而查询数据量巨大，请求都直接访问数据库，引起数据库压力过大甚至宕机。

造成雪崩的可能：

  • 采用了相同的过期时间：一般是由于大量数据同时过期造成的，对于这个原因，可通过均匀设置过期时间解决，即让过期时间相对离散一点。如采用一个较大固定值 一个较小的随机值，5小时 0到1800秒。
  • Redis 宕机：Redis 故障宕机也可能引起缓存雪奔。这就需要构造Redis高可用集群啦。
4.2.2 解决方案
  1. 事前：
    • 均匀过期：设置不同的过期时间，让缓存失效的时间尽量均匀，避免相同的过期时间导致缓存雪崩，造成大量数据库的访问。 如把每个 Key 的失效时间都加个随机值，setRedis（Key，value，time Math.random() * 10000）；，保证数据不会在同一时间大面积失效。
    • 分级缓存：第一级缓存失效的基础上，访问二级缓存，每一级缓存的失效时间都不同。
    • 热点数据缓存永远不过期。永不过期实际包含两层意思：
      • 物理不过期，针对热点 key 不设置过期时间
      • 逻辑过期，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
    • 保证 Redis 缓存的高可用，防止 Redis 宕机导致缓存雪崩的问题。可以使用 主从 哨兵，Redis 集群来避免 Redis 全盘崩溃的情况。
  2. 事中：
    • 互斥锁：在缓存失效后，通过互斥锁或者队列来控制读数据写缓存的线程数量，比如某个 key 只允许一个线程查询数据和写缓存，其他线程等待。这种方式会阻塞其他的线程，此时系统的吞吐量会下降
    • 使用熔断机制，限流降级。当流量达到一定的阈值，直接返回 “系统拥挤” 之类的提示，防止过多的请求打在数据库上将数据库击垮，至少能保证一部分用户是可以正常使用，其他用户多刷新几次也能得到结果。
  3. 事后： 开启 Redis 持久化机制，尽快恢复缓存数据，一旦重启，就能从磁盘上自动加载数据恢复内存中的数据。

4.3 缓存击穿

4.3.1 介绍

缓存击穿： 指热点key在某个时间点过期的时候，而恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，从而大量的请求打到数据库。

与缓存雪崩的区别：

缓存雪奔是指数据库压力过大甚至宕机，缓存击穿只是大量并发请求到了DB数据库层面。可以认为击穿是缓存雪奔的一个子集吧。有些文章认为它俩区别在于击穿是针对某一热点key缓存，雪奔则是很多key。

4.3.2 解决方案

从两个方面解决，第一是否可以考虑热点 key 不设置过期时间，第二是否可以考虑降低打在数据库上的请求数量。

解决方案就有两种：

  • 使用互斥锁方案：缓存失效时，不是立即去加载db数据，而是先使用某些带成功返回的原子操作命令，如(Redis的setnx）去操作，成功的时候，再去加载db数据库数据和设置缓存。否则就去重试获取缓存。
  • “热点数据永不过期”，永不过期实际包含两层意思
    • 物理不过期，针对热点 key 不设置过期时间
    • 逻辑过期，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

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