一句话:速度快,好用
缓存数据存储于代码中,而代码运行在内存中,内存的读写性能远高于磁盘,缓存可以大大降低用户访问并发量带来的服务器读写压力。
实际开发过程中,企业的数据量,少则几十万,多则几千万,这么大的数据量,如果没有使用缓存,系统几乎是撑不住的,所以企业会大量运用到缓存技术。
但是缓存也会增加代码复杂度和运营的成本。
实际开发中,会构筑多级缓存来使系统运行速度进一步提升,例如:本地缓存与redis中的缓存并发使用
浏览器缓存:主要是存在于浏览器端的缓存
应用层缓存:可以分为tomcat本地缓存,比如使用redis作为缓存
数据库缓存:在数据库中有一片空间 buffer pool,增删改查数据都会先加载到mysql的缓存中
CPU缓存:当代计算机最大的问题是cpu性能提升了,但内存读写速度没有跟上,所以为了适应当下的情况,增加了cpu的L1,L2,L3级的缓存
在我们查询商户信息时,我们是直接操作从数据库中去进行查询的,大致逻辑是这样,直接查询数据库那肯定慢咯,所以我们需要增加缓存
标准的操作方式就是查询数据库之前先查询缓存,如果缓存数据存在,则直接从缓存中返回,如果缓存数据不存在,再查询数据库,然后将数据存入redis。
ShopController
/**
* 根据id查询商铺信息
* @param id 商铺id
* @return 商铺详情数据
*/
@GetMapping("/{id}")
public Result queryShopById(@PathVariable("id") Long id) {
return shopService.queryById(id);
}
ShopService
@Autowired
private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
@Override
public Result queryById(Long id) {
String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
//1.从redis查询商铺缓存
String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
//2.判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
//3.存在,直接返回
Shop shop = JSON.parseObject(shopJson, Shop.class);
return Result.ok(shop);
}
//4.不存在,根据id查询数据库
Shop shop = getById(id);
//5.不存在,返回错误
if (shop == null) {
return Result.fail("用户不存在!");
}
//6.存在,将数据写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSON.toJSONString(shop));
//7.返回
return Result.ok(shop);
}
ShopTypeController
@GetMapping("list")
public Result queryTypeList() {
return typeService.queryTypeList();
}
ShopTypeService
@Autowired
private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
@Override
public Result queryTypeList() {
String key = CACHE_SHOP_TYPE_LIST_KEY;
List<String> shopTypeJsonList = stringRedisTemplate.opsForList().range(key, 0, -1);
if (shopTypeJsonList != null && !shopTypeJsonList.isEmpty()) {
List<ShopType> typeList = new ArrayList<>();
for (String shopTypeStr : shopTypeJsonList) {
typeList.add(JSON.parseObject(shopTypeStr, ShopType.class));
}
return Result.ok(typeList);
}
List<ShopType> shopTypeList = query().orderByAsc("sort").list();
if (shopTypeList == null && shopTypeList.isEmpty()) {
return Result.fail("分类不存在!");
}
for (ShopType shopType : shopTypeList) {
stringRedisTemplate.opsForList().rightPushAll(CACHE_SHOP_TYPE_LIST_KEY, JSON.toJSONString(shopType));
}
return Result.ok(shopTypeList);
}
缓存更新是redis为了节约内存而设计出来的一个东西,主要是因为内存数据宝贵,当我们向redis插入太多数据,此时就可能导致缓存中的数据过多,所以redis会对部分数据进行更新,或者把他们叫做淘汰更合适。
内存淘汰:redis自动进行,当redis内存达到设定的max-memery的时候,会自动触发淘汰机制,淘汰掉一些不重要的数据。
超时剔除:当我们给redis设置了过期时间ttl之后,redis会将超时的数据进行删除,方便咱们继续使用缓存。
主动更新:我们可以手动调用方法把缓存删掉,通常用于解决缓存和数据库不一致问题。
由于我们的缓存的数据源来自数据库,而数据库的数据是会发生变化的,因此,如果当数据库中数据发生变化,而缓存却没有同步,此时就会有一致性问题存在。
解决方案:
假设每次操作数据库后,都操作缓存,但是中间如果没有人查询,那么这个更新动作实际上只有最后一次生效,中间的更新动作意义并不大,我们可以把缓存删除,等待再次查询时,将缓存中的数据加载出来。
### 2.5 实现商铺和缓存与数据库双写一致
核心思路如下:
修改ShopController中的业务逻辑,满足下面的需求:
根据id查询店铺时,如果缓存未命中,则查询数据库,将数据库结果写入缓存,并设置超时时间
根据id修改店铺时,先修改数据库,再删除缓存
修改重点代码1:修改ShopServiceImpl的queryById方法
设置redis缓存时添加过期时间
修改重点代码2
代码分析:通过之前的淘汰,我们确定了采用删除策略,来解决双写问题,当我们修改了数据之后,然后把缓存中的数据进行删除,查询时发现缓存中没有数据,则会从mysql中加载最新的数据,从而避免数据库和缓存不一致的问题。
@Transactional
public Result update(Shop shop) {
Long id = shop.getId();
if (id == null) {
return Result.fail("店铺id不能为空");
}
//1.更新数据库
updateById(shop);
//2.删除缓存
stringRedisTemplate.delete(CACHE_SHOP_KEY + id);
return Result.ok();
}
缓存穿透是指客户端请求的数据在缓存中和数据库中都不存在,这样缓存永远不会生效,这些请求一直访问数据库。
常见的解决方案有两种:
缓存空对象思路分析
当我们客户端访问不存在的数据时,先请求redis,但是此时redis中没有数据,此时会访问到数据库,但是数据库中也没有数据,这个数据穿透了缓存,直击数据库,我们都知道数据库能够承载的并发不如redis这么高,如果大量的请求同时过来访问这种不存在的数据,这些请求就都会访问到数据库,简单的解决方案就是哪怕这个数据在数据库中也不存在,我们也把这个数据存入到redis中去,这样。下次用户过来访问这个不存在的数据,那么redis中也能找到这个数据,就不用再访问数据库了。
布隆过滤
布隆过滤其实采用的是哈希思想来解决这个问题,通过一个庞大的二进制数组,用哈希思想判断当前这个要查询的数据是否存在,如果布隆过滤器判断存在,则放行,这个请求会去访问redis,哪怕此时redis中的数据过期了,但是数据库中一定存在这个数据,在数据库中查询出来这个数据后,再将其放入redis中,假设布隆过滤器判断这个数据不存在,则直接返回。
这种方式的优点在于节约内存空间,存在误判,误判原因在于:布隆过滤器走的是哈希思想,只要是哈希思想,就可能存在哈希冲突。
核心思路如下:
在原来的逻辑中,我们如果发现这个数据在mysql中不存在,直接返回404了,这样是会存在缓存穿透问题的。
现在的逻辑中:如果这个数据不存在,我们不会返回404,还是会把这个数据写入到Redis中,并将value设置为空,当再次发起查询时,我们如果发现命中之后,判断这个value是否是null,如果是null,则是之前写入的数据,证明是缓存穿透数据,如果不是,则直接返回数据。
public Result queryById(Long id) {
String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
//1.从redis查询商铺缓存
String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
//2.判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
//3.存在,直接返回
Shop shop = JSON.parseObject(shopJson, Shop.class);
return Result.ok(shop);
}
//判断命中的是否是空字符串
if (shopJson != null) {
//返回一个错误信息
return Result.fail("店铺信息不存在!");
}
//4.不存在,根据id查询数据库
Shop shop = getById(id);
//5.不存在,返回错误
if (shop == null) {
//将空值写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
//返回错误信息
return Result.fail("用户不存在!");
}
//6.存在,将数据写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSON.toJSONString(shop), CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
//7.返回
return Result.ok(shop);
}
小总结:
缓存穿透产生的原因是什么?
缓存穿透的解决方案有哪些?
缓存雪崩是指同一时段大量的缓存key同时失效或者redis服务宕机,导致大量请求到达数据库,带来巨大压力。
解决方案:
给不同的Key的TTL添加随机值
利用redis集群提高服务的可用性
给缓存业务添加降级限流策略
给业务添加多级缓存
缓存击穿问题也叫热点Key问题,就是一个被高并发访问且缓存重建业务较复杂的key突然失效了,无数的请求访问会在瞬间给数据库带来巨大的冲击。
常见的解决方案有两种:
逻辑分析:假设线程1在查询缓存之后,本来应该去查询数据库,然后把这个数据重新加载到缓存的,此时只要线程1走完这个逻辑,其他线程就都能从缓存中加载这些数据了,但是假设在线程1没有走完的时候,后续的线程2,线程3,线程4同时过来访问当前这个方法,那么这些线程都不能从缓存中查询到数据,那么他们就会同一时刻来访问查询缓存,都没有查到,接着同一时间去访问数据库,对数据库访问压力过大。
解决方案一:使用互斥锁来解决
因为锁能实现互斥性。假设线程过来,只能一个人一个人的来访问数据库,从而避免对于数据库访问压力过大,但这也会影响查询的性能,因为此时会让查询的性能从并行变成了串行。
假设现在线程1过来访问,他查询缓存没有命中,但是此时他获得了锁的资源,那么线程1就会一个人去执行逻辑,假设现在线程2过来,线程2在执行过程中,并没有获得锁,那么线程2就可以进行到休眠,直到线程1把锁释放后,线程2获得到锁,然后再来执行逻辑,此时就能够从缓存中拿到数据了。
解决方案二:逻辑过期方案
方案分析:我们之所以会出现这个缓存击穿问题,主要原因是在于我们对key设置了过期时间,假设我们不设置过期时间,其实就不会有缓存击穿的问题,但是不设置过期时间,这样数据不就一直占用我们内存了吗,我们可以采用逻辑过期方案。
我们把过期时间设置在redis的value中,注意:这个过期时间并不会直接作用于redis,而是我们后续通过逻辑去处理。假设线程1去查询缓存,然后从value中判断出来当前的数据已经过期了,此时线程1去获得互斥锁,那么其他线程会进行阻塞,获得了锁的线程他会开启一个线程去进行以前的重构数据的逻辑,直到新开的线程完成这个逻辑后,才释放锁,而线程1直接进行返回,假设现在线程3过来访问,由于线程1持有着锁,所以线程3无法获得锁,线程3也直接返回数据,只有等到新的线程2把重建数据构建完后,其他线程才能走返回正确的数据。
这种方案巧妙在于,异步的构建缓存,缺点在于构建完缓存之前,返回的都是脏数据。
互斥锁方案:由于保证了互斥性,所以数据一致,且实现简单,因为仅仅只需要加一把锁而已,也没有其他的事前需要操心,所以没有额外的内存消耗,缺点在于有锁就有死锁问题的发生,且只能串行执行,性能肯定收到影响。
逻辑过期方案:线程读取过程中不需要等待,性能好,有一个额外的线程持有锁去进行重构数据,但是在重构数据完成前,其他的线程只能返回之前的数据,且实现起来麻烦。
核心思路:相较于原来从缓存中查询不到数据后直接查询数据库而言,现在的方案是进行查询之后,如果从缓存没有查询到数据,则进行互斥锁的获取,获取互斥锁后,判断是否获得到了锁,如果没有获得到,则休眠,过一会再进行尝试,直到获取到锁为止,才能进行查询。如果获取了锁的线程,再去进行查询数据库,查询后将数据写入redis,再释放锁,返回数据。利用互斥锁就能保证只有一个线程去执行操作数据库的逻辑,防止缓存击穿。
操作锁的代码:
核心思路就是利用redis的setnx方法来表示获取锁,该方法含义是redis中如果没有这个key,则创建该key,返回1,在stringRedisTemplate中返回true,如果有这个key则创建失败,返回0,在stringRedisTemplate返回false,我们可以通过true或者false来表示是否有线程成功插入key,成功插入的key的线程我们认为他就是获得锁的线程。
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
private void unlock(String key) {
stringRedisTemplate.delete(key);
}
操作代码:
public Shop queryWithMutex(Long id) {
String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
// 1、从redis中查询商铺缓存
String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get("key");
// 2、判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
// 存在,直接返回
return JSONUtil.toBean(shopJson, Shop.class);
}
//判断命中的值是否是空值
if (shopJson != null) {
//返回一个错误信息
return null;
}
// 4.实现缓存重构
//4.1 获取互斥锁
String lockKey = "lock:shop:" + id;
Shop shop = null;
try {
boolean isLock = tryLock(lockKey);
// 4.2 判断否获取成功
if(!isLock){
//4.3 失败,则休眠重试
Thread.sleep(50);
return queryWithMutex(id);
}
//4.4 成功,根据id查询数据库
shop = getById(id);
// 5.不存在,返回错误
if(shop == null){
//将空值写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key,"",CACHE_NULL_TTL,TimeUnit.MINUTES);
//返回错误信息
return null;
}
//6.写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key,JSONUtil.toJsonStr(shop),CACHE_NULL_TTL,TimeUnit.MINUTES);
}catch (Exception e){
throw new RuntimeException(e);
}
finally {
//7.释放互斥锁
unlock(lockKey);
}
return shop;
}
需求:修改根据id查询商铺的业务,基于逻辑过期方式来解决缓存击穿问题
思路分析:当用户开始查询redis时,判断是否命中,如果没有命中则直接返回空数据,不查询数据库,而一旦命中,将value取出,判断value是否过期,如果没有过期,则直接返回redis中的数据,如果过期,则将开启独立线程后直接返回之前的数据,独立线程去重构数据,重构完成后释放互斥锁。
如果封装数据:因为现在redis中存储的数据的value需要带上过期时间,此时需要新建实体类。
步骤一
新建RedisData实体类
@Data
public class RedisData {
private LocalDateTime expireTime;
private Object data;
}
步骤二
在ShopServiceImpl 新增savaShopToRedis方法,利用单元测试进行缓存预热
/**
* 将商户信息写入redis
*
* @param id
*/
public void saveShopToRedis(Long id, Long expireSeconds) {
//1.查询店铺数据
Shop shop = getById(id);
//2.封装逻辑过期时间
RedisData redisData = new RedisData();
redisData.setData(shop);
redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(expireSeconds));
//3.写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(CACHE_SHOP_KEY + id, JSON.toJSONString(redisData));
}
在测试类中
@Test
void testSaveShop() {
shopService.saveShopToRedis(9L, 10L);
}
步骤三
ShopServiceImpl
//创建线程池
private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
/**
* 使用逻辑过期解决缓存击穿问题
*
* @param id
* @return
*/
public Shop queryWithLogicExpire(Long id) {
String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
//1.从redis查询商铺缓存
String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
//2.判断是否存在
if (StrUtil.isBlank(shopJson)) {
//3.不存在,直接返回
return null;
}
//4.存在,需要先把json反序列化为对象
RedisData redisData = JSON.parseObject(shopJson, RedisData.class);
JSONObject data = (JSONObject) redisData.getData();
Shop shop = JSON.toJavaObject(data, Shop.class);
LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
//5.判断是否过期
if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
//5.1未过期,直接返回店铺信息
return shop;
}
//5.2已过期,需要缓存重建
//6.缓存重建
//6.1获取互斥锁
String lockKey = LOCK_SHOP_KEY + id;
boolean isLock = tryLock(lockKey);
//6.2判断是否获取锁成功
if (isLock) {
//6.3成功,开启独立线程,实现缓存重建
CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
try {
//重建缓存
this.saveShopToRedis(id, 20L);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
//释放锁
unlock(lockKey);
}
});
}
//6.4返回过期的商户信息
return shop;
}
基于StringRedisTemplate封装一个缓存工具类,满足下列需求:
方法1:将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置TTL过期时间
方法2:将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置逻辑过期时间,用于处理缓存击穿问题
方法3:根据指定的key查询缓存,并反序列化为指定类型,利用缓存空值的方式解决缓存穿透问题
方法4:根据指定的key查询缓存,并反序列化为指定类型,需要利用逻辑过期解决缓存击穿问题
@Component
@Slf4j
public class CacheClient {
//创建线程池
private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
public CacheClient(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
}
/**
* 将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置TTL过期时间
*
* @param key
* @param value
* @param time
* @param unit
*/
public void setWithTTLExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSON.toJSONString(value), time, unit);
}
/**
* * 将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置逻辑过期时间,用于处理缓存击穿问题
*
* @param key
* @param value
* @param time
* @param unit
*/
public void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
//设置逻辑过期
RedisData redisData = new RedisData();
redisData.setData(value);
redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(unit.toSeconds(time)));
//写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSON.toJSONString(redisData));
}
/**
* 根据指定的key查询缓存,并反序列化为指定类型,利用缓存空值的方式解决缓存穿透问题
*
* @param keyPrefix
* @param id
* @param type
* @param dbFallback
* @param time
* @param unit
* @param
* @param
* @return
*/
public <R, ID> R queryWithPassThrough(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
String key = keyPrefix + id;
//1.从redis查询商铺缓存
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
//2.判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
//3.存在,直接返回
return JSON.parseObject(json, type);
}
//判断命中的是否是空字符串
if (json != null) {
//返回一个错误信息
return null;
}
//4.不存在,根据id查询数据库
R r = dbFallback.apply(id);
//5.不存在,返回错误
if (r == null) {
//将空值写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
//返回错误信息
return null;
}
//6.存在,将数据写入redis
this.setWithTTLExpire(key, r, time, unit);
//7.返回
return r;
}
/**
* 根据指定的key查询缓存,并反序列化为指定类型,需要利用逻辑过期解决缓存击穿问题
*
* @param keyPrefix
* @param id
* @param type
* @param dbFallback
* @param time
* @param unit
* @param
* @param
* @return
*/
public <R, ID> R queryWithLogicExpire(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
String key = keyPrefix + id;
//1.从redis查询商铺缓存
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
//2.判断是否存在
if (StrUtil.isBlank(json)) {
//3.不存在,直接返回
return null;
}
//4.存在,需要先把json反序列化为对象
RedisData redisData = JSON.parseObject(json, RedisData.class);
JSONObject data = (JSONObject) redisData.getData();
R r = JSON.toJavaObject(data, type);
LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
//5.判断是否过期
if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
//5.1未过期,直接返回店铺信息
return r;
}
//5.2已过期,需要缓存重建
//6.缓存重建
//6.1获取互斥锁
String lockKey = LOCK_SHOP_KEY + id;
boolean isLock = tryLock(lockKey);
//6.2判断是否获取锁成功
if (isLock) {
//6.3成功,开启独立线程,实现缓存重建
CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
try {
//查询数据库
R r1 = dbFallback.apply(id);
//写入redis
this.setWithLogicalExpire(key, r1, time, unit);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
//释放锁
unlock(lockKey);
}
});
}
//6.4返回过期的商户信息
return r;
}
/**
* 设置锁
*
* @param key
* @return
*/
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", LOCK_SHOP_TTL, TimeUnit.SECONDS);
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
/**
* 删除锁
*
* @param key
*/
private void unlock(String key) {
stringRedisTemplate.delete(key);
}
}
在ShopServiceImpl 中
@Resource
private CacheClient cacheClient;
@Override
public Result queryById(Long id) {
// 解决缓存穿透
Shop shop = cacheClient
.queryWithPassThrough(CACHE_SHOP_KEY, id, Shop.class, this::getById, CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
// 互斥锁解决缓存击穿
// Shop shop = cacheClient
// .queryWithMutex(CACHE_SHOP_KEY, id, Shop.class, this::getById, CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
// 逻辑过期解决缓存击穿
// Shop shop = cacheClient
// .queryWithLogicalExpire(CACHE_SHOP_KEY, id, Shop.class, this::getById, 20L, TimeUnit.SECONDS);
if (shop == null) {
return Result.fail("店铺不存在!");
}
// 7.返回
return Result.ok(shop);
}