23 | 旁路缓存：Redis是如何工作的？

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Redis核心技术与实战

实践篇

23 | 旁路缓存：Redis是如何工作的？

缓存的特征

计算机系统中，默认有两种缓存：

• CPU 里面的末级缓存（三级缓存 L3），即 LLC，用来缓存内存中的数据，避免每次从内存中存取数据；
• 内存中的高速页缓存，即 page cache，用来缓存磁盘中的数据，避免每次从磁盘中存取数据。

跟内存相比，LLC 的访问速度更快，而跟磁盘相比，内存的访问是更快。所以，缓存的第一个特征：在一个层次化的系统中，缓存一定是一个快速子系统，数据存在缓存中时，能避免每次从慢速子系统中存取数据。 对应到互联网应用来说，Redis 就是快速子系统，而数据库就是慢速子系统。

计算机分层结构中，LLC 的大小是 MB 级别，page cache 的大小是 GB 级别，而磁盘的大小是 TB 级别。所以，缓存的第二个特征：缓存系统的容量大小总是小于后端慢速系统的，不可能把所有数据都放在缓存系统中。

缓存的容量终究是有限的，缓存中的数据量也是有限的，没法时刻都满足访问需求。所以，缓存和后端慢速系统之间，必然存在数据写回和再读取的交互过程。简单来说，缓存中的数据需要按一定规则淘汰出去，写回后端系统，而新的数据又要从后端系统中读取进来，写入缓存。

Redis 本身支持按一定规则淘汰数据，相当于实现了缓存的数据淘汰，其实，这也是 Redis 适合用作缓存的一个重要原因。

Redis 缓存处理请求的两种情况

• 缓存命中：Redis 中有相应数据，就直接读取 Redis，性能非常快。
• 缓存缺失：Redis 中没有保存相应数据，就从后端数据库中读取数据，性能就会变慢。而且，一旦发生缓存缺失，为了让后续请求能从缓存中读取到数据，需要把缺失的数据写入 Redis，这个过程叫作缓存更新。

使用 Redis 缓存时，基本有三个操作：

• 应用读取数据时，需要先读取 Redis；
• 发生缓存缺失时，需要从数据库读取数据；
• 发生缓存缺失时，还需要更新缓存。

Redis 作为旁路缓存的使用操作

如果应用程序想要使用 Redis 缓存，就要在程序中增加相应的缓存操作代码。所以，Redis 也被称为旁路缓存，也就是说，读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都需要在应用程序中来完成。

• 旁路缓存：客户端访问缓存系统，访问失败后客户端再访问慢速数据库，最终还需要客户端更新缓存。
• 非旁路缓存：客户端访问缓存系统，访问失败后由缓存系统访问慢速数据库，由缓存系统更新缓存。

使用 Redis 缓存时，具体来说，需要在应用程序中增加三方面的代码：

• 当应用程序需要读取数据时，需要在代码中显式调用 Redis 的 GET 操作接口，进行查询；
• 如果缓存缺失了，应用程序需要再和数据库连接，从数据库中读取数据；
• 当缓存中的数据需要更新时，也需要在应用程序中显式地调用 SET 操作接口，把更新的数据写入缓存。

String cacheKey = “productid_11010003”;
String cacheValue = redisCache.get(cacheKey)；
//缓存命中
if ( cacheValue != NULL)
   return cacheValue;
//缓存缺失
else
   cacheValue = getProductFromDB();
   redisCache.put(cacheValue)  //缓存更新

缓存的类型

按照 Redis 缓存是否接受写请求，可以把它分成只读缓存和读写缓存。

只读缓存

当 Redis 用作只读缓存时，应用要读取数据的话，会先调用 Redis GET 接口，查询数据是否存在。而所有的数据写请求，会直接发往后端的数据库，在数据库中增删改。对于删改的数据来说，如果 Redis 已经缓存了相应的数据，应用需要把这些缓存的数据删除。

当应用再次读取这些数据时，会发生缓存缺失，应用会把这些数据从数据库中读出来，并写到缓存中。这样一来，这些数据后续再被读取时，就可以直接从缓存中获取了，能起到加速访问的效果。

只读缓存直接在数据库中更新数据的好处是，所有最新的数据都在数据库中，而数据库是提供数据可靠性保障的，这些数据不会有丢失的风险。

读写缓存

对于读写缓存来说，除了读请求会发送到缓存进行处理（直接在缓存中查询数据是否存在)，所有的写请求也会发送到缓存，在缓存中直接对数据进行增删改操作。但是，和只读缓存不一样的是，在使用读写缓存时，最新的数据是在 Redis 中，而 Redis 是内存数据库，一旦出现掉电或宕机，内存中的数据就会丢失。

根据业务应用对数据可靠性和缓存性能的不同要求，有同步直写和异步写回两种策略。其中，同步直写策略优先保证数据可靠性，而异步写回策略优先提供快速响应。

• 同步直写是指，写请求发给缓存的同时，也会发给后端数据库进行处理，等到缓存和数据库都写完数据，才给客户端返回。 这样，即使缓存宕机或发生故障，最新的数据仍然保存在数据库中，这就提供了数据可靠性保证。
• 异步写回策略，则是优先考虑了响应延迟。此时，所有写请求都先在缓存中处理。等到这些增改的数据要被从缓存中淘汰出来时，缓存将它们写回后端数据库。 这样一来，处理这些数据的操作是在缓存中进行的，很快就能完成。只不过，如果发生了掉电，而它们还没有被写回数据库，就会有丢失的风险。

关于是选择只读缓存，还是读写缓存，主要看对写请求是否有加速的需求。

• 如果需要对写请求进行加速，选择读写缓存；
• 如果写请求很少，或者是只需要提升读请求的响应速度的话，选择只读缓存。