分布式数据库和缓存的一致性问题总结

之前被人问过,这会想起来,正好项目里面也有,就总结一下:
首先是第一个问题: 更新缓存 VS 淘汰缓存

什么是更新缓存:数据不但写入数据库,还会写入缓存

什么是淘汰缓存:数据只会写入数据库,不会写入缓存,只会把数据淘汰掉

更新缓存的优点:缓存不会增加一次miss,命中率高(所谓的miss是指没有找到缓存,错过一次)

淘汰缓存的优点:简单

那到底是选择更新缓存还是淘汰缓存呢,主要取决于“更新缓存的复杂度”。

例如,上述场景,只是简单的把余额money设置成一个值,那么:

(1)淘汰缓存的操作为deleteCache(uid)

(2)更新缓存的操作为setCache(uid, money)

更新缓存的代价很小,此时我们应该更倾向于更新缓存,以保证更高的缓存命中率

如果余额是通过很复杂的数据计算得出来的,例如业务上除了账户表account,还有商品表product,折扣表discount

account(uid, money)

product(pid, type, price, pinfo)

discount(type, zhekou)

业务场景是用户买了一个商品product,这个商品的价格是price,这个商品从属于type类商品,type类商品在做促销活动要打折扣zhekou,购买了商品过后,这个余额的计算就复杂了,需要:

(1)先把商品的品类,价格取出来:SELECT type, price FROM product WHERE pid=XXX

(2)再把这个品类的折扣取出来:SELECT zhekou FROM discount WHERE type=XXX

(3)再把原有余额从缓存中查询出来money = getCache(uid)

(4)再把新的余额写入到缓存中去setCache(uid, money-price*zhekou)

更新缓存的代价很大,此时我们应该更倾向于淘汰缓存。

因而,根据上面的分析,使用哪种方式可以根据实际情况进行,而直接淘汰缓存操作简单,并且带来的副作用只是增加了一次cache miss,更多的时候会作为通用的处理方式。

在分析了这个方式后,下面才分析第二个问题:先操作数据库 vs 先操作缓存

假设淘汰缓存作为对缓存通用的处理方式,又面临两种抉择:

(1)先写数据库,再淘汰缓存

(2)先淘汰缓存,再写数据库
这里我们分为是单线程和多线程的情况下来分析。
首先是单线程的情况下,相对简单一些:

1.假设先写数据库,再淘汰缓存:第一步写数据库操作成功,第二步淘汰缓存失败,则会出现DB中是新数据,Cache中是旧数据,数据不一致。
2.假设先淘汰缓存,再写数据库:第一步淘汰缓存成功,第二步写数据库失败,则只会引发一次Cache miss。

结论:数据和缓存的操作时序,结论是清楚的:先淘汰缓存,再写数据库,这里可能有疑惑,第二次数据没有写成功,从数据库里读出来的还是旧的数据啊?为什么会选择它那,原因是这里考虑的一致性,此时虽然数据不对,但缓存和数据库一致的。

下面是多线程的情况,

在这里,我们讨论三种更新策略:

		1.先更新缓存,再删除数据库	
		2.先更新数据库,再更新缓存
		3.先删除缓存,再更新数据库
		4.先更新数据库,再删除缓存

(1)首先是更新缓存,再更新数据库,这种策略我理解的是可以直接pass了如下:
两个线程A和B :
(1)线程A更新了缓存
(2)线程B更新了缓存
(3)线程B更新了数据库
(4)线程A更新了数据库
这样的话数据库就是脏数据了,出现了缓存和数据库不一致的情况了。

(2)先更新数据库,再更新缓存
这种方案也不可取,原因
这套方案,大家是普遍反对的。为什么呢?有如下两点原因。
原因一(线程安全角度)
同时有请求A和请求B进行更新操作,那么会出现
(1)线程A更新了数据库
(2)线程B更新了数据库
(3)线程B更新了缓存
(4)线程A更新了缓存
这就出现请求A更新缓存应该比请求B更新缓存早才对,但是因为网络等原因,B却比A更早更新了缓存。这就导致了脏数据,因此不考虑。
原因二(业务场景角度)
有如下两点:
(1)如果你是一个写数据库场景比较多,而读数据场景比较少的业务需求,采用这种方案就会导致,数据压根还没读到,缓存就被频繁的更新,浪费性能。
(2)如果你写入数据库的值,并不是直接写入缓存的,而是要经过一系列复杂的计算再写入缓存。那么,每次写入数据库后,都再次计算写入缓存的值,无疑是浪费性能的。显然,删除缓存更为适合。

话说回来,还是上面所说的使用删除缓存这种方式更加的合适!!

(3)先删缓存,再更新数据库

该方案会导致不一致的原因是。同时有一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形:
(1)请求A进行写操作,删除缓存
(2)请求B查询发现缓存不存在
(3)请求B去数据库查询得到旧值
(4)请求B将旧值写入缓存
(5)请求A将新值写入数据库
上述情况就会导致不一致的情形出现。而且,如果不采用给缓存设置过期时间策略,该数据永远都是脏数据。
那么,如何解决呢?采用延时双删策略
伪代码如下

public void write(String key,Object data){
        redis.delKey(key);
        db.updateData(data);
        Thread.sleep(1000);
        redis.delKey(key);
    }

转化为中文描述就是
(1)先淘汰缓存
(2)再写数据库(这两步和原来一样)
(3)休眠1秒,再次淘汰缓存
这么做,可以将1秒内所造成的缓存脏数据,再次删除。

那么,这个1秒怎么确定的,具体该休眠多久呢?

针对上面的情形,读者应该自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时。然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上,加几百ms即可。这么做的目的,就是确保读请求结束,写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。
如果你用了mysql的读写分离架构怎么办?
ok,在这种情况下,造成数据不一致的原因如下,还是两个请求,一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。
(1)请求A进行写操作,删除缓存
(2)请求A将数据写入数据库了,
(3)请求B查询缓存发现,缓存没有值
(4)请求B去从库查询,这时,还没有完成主从同步,因此查询到的是旧值
(5)请求B将旧值写入缓存
(6)数据库完成主从同步,从库变为新值
上述情形,就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是,睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上,加几百ms。
采用这种同步淘汰策略,吞吐量降低怎么办?
ok,那就将第二次删除作为异步的。自己起一个线程,异步删除。这样,写的请求就不用沉睡一段时间后了,再返回。这么做,加大吞吐量。

第二次删除,如果删除失败怎么办?

这是个非常好的问题,因为第二次删除失败,就会出现如下情形。还是有两个请求,一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作,为了方便,假设是单库:
(1)请求A进行写操作,删除缓存
(2)请求B查询发现缓存不存在
(3)请求B去数据库查询得到旧值
(4)请求B将旧值写入缓存
(5)请求A将新值写入数据库
(6)请求A试图去删除请求B写入对缓存值,结果失败了。
ok,这也就是说。如果第二次删除缓存失败,会再次出现缓存和数据库不一致的问题。
如何解决呢?
下面将讲解。

(4)先更新数据库,再删缓存

首先,先说一下。老外提出了一个缓存更新套路,名为《Cache-Aside pattern》。其中就指出
•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。

另外,知名社交网站facebook也在论文《Scaling Memcache at Facebook》中提出,他们用的也是先更新数据库,再删缓存的策略。
这种情况不存在并发问题么?
不是的。假设这会有两个请求,一个请求A做查询操作,一个请求B做更新操作,那么会有如下情形产生
(1)缓存刚好失效
(2)请求A查询数据库,得一个旧值
(3)请求B将新值写入数据库
(4)请求B删除缓存
(5)请求A将查到的旧值写入缓存
ok,如果发生上述情况,确实是会发生脏数据。
然而,发生这种情况的概率又有多少呢?
发生上述情况有一个先天性条件,就是步骤(3)的写数据库操作比步骤(2)的读数据库操作耗时更短,才有可能使得步骤(4)先于步骤(5)。可是,大家想想,数据库的读操作的速度远快于写操作的(不然做读写分离干嘛,做读写分离的意义就是因为读操作比较快,耗资源少),因此步骤(3)耗时比步骤(2)更短,这一情形很难出现。
假设,有人非要抬杠,有强迫症,一定要解决怎么办?
如何解决上述并发问题?

首先,给缓存设有效时间是一种方案。其次,采用策略(3)里给出的异步延时删除策略,保证读请求完成以后,再进行删除操作。
还有其他造成不一致的原因么?
有的,这也是缓存更新策略(3)和缓存更新策略(4)都存在的一个问题,如果删缓存失败了怎么办,那不是会有不一致的情况出现么。比如一个写数据请求,然后写入数据库了,删缓存失败了,这会就出现不一致的情况了。这也是缓存更新策略(3)里留下的最后一个疑问。
如何解决?
提供一个保障的重试机制即可,这里给出两套方案。
方案一:
如下图所示
分布式数据库和缓存的一致性问题总结_第1张图片
流程如下所示
(1)更新数据库数据;
(2)缓存因为种种问题删除失败
(3)将需要删除的key发送至消息队列
(4)自己消费消息,获得需要删除的key
(5)继续重试删除操作,直到成功
然而,该方案有一个缺点,对业务线代码造成大量的侵入。于是有了方案二,在方案二中,启动一个订阅程序去订阅数据库的binlog,获得需要操作的数据。在应用程序中,另起一段程序,获得这个订阅程序传来的信息,进行删除缓存操作。
方案二:
分布式数据库和缓存的一致性问题总结_第2张图片
流程如下图所示:
(1)更新数据库数据
(2)数据库会将操作信息写入binlog日志当中
(3)订阅程序提取出所需要的数据以及key
(4)另起一段非业务代码,获得该信息
(5)尝试删除缓存操作,发现删除失败
(6)将这些信息发送至消息队列
(7)重新从消息队列中获得该数据,重试操作。

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