Redis缓存保卫战：拒绝缓存击穿的进攻【redis问题 三】

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前言

你是否曾经遇到过系统在高并发情况下出现严重性能问题？Redis缓存击穿可能是罪魁祸首。缓存击穿是一种极具挑战性的问题，可能导致系统性能急剧下降，甚至发生数据不一致的情况。在这篇博客中，我们将引领你进入Redis缓存的神秘世界，一探击穿的来龙去脉，并提供解决方案，让你的系统在面对高并发时依然屹立不倒。

缓存击穿的定义和原理

定义： Redis缓存击穿是指一个非常热门的缓存键在缓存中过期或不存在的情况下，大量请求同时访问该键所对应的数据，导致这些请求直接绕过缓存，直接访问底层的存储系统。

原理：

1. 热门数据失效：缓存中的某个键对应的数据过期或不存在。
2. 大量请求访问：由于该键对应的数据是热门的，大量请求同时访问这个缓存键。
3. 绕过缓存：因为缓存中没有对应的数据，这些请求直接绕过缓存，直接访问底层的存储系统（通常是数据库）。
4. 存储系统压力增加：大量请求同时访问存储系统，导致存储系统的负载增加，可能引起性能问题。

为何会发生缓存击穿

缓存击穿通常发生在以下情况下，涉及到缓存失效和大量并发请求两个关键因素：

1. 缓存失效： 当一个热门的缓存键对应的数据在缓存中过期或者不存在时，如果此时有大量请求访问这个缓存键，就会导致缓存击穿。缓存失效可能是由于缓存策略设置的过期时间到期，或者手动删除缓存数据引起的。

2. 大量并发请求： 缓存击穿通常不是由单一请求引起的，而是由大量并发请求集中在某个特定的热门数据上。这可能是由于系统设计的瓶颈、缓存数据的热度高、某个功能或数据点引起了极大的用户兴趣等原因。当大量请求同时访问一个缓存失效或者不存在的热门数据时，它们都会绕过缓存，直接访问底层存储系统。

综合来说，缓存击穿的发生主要是因为缓存中的数据失效，而且失效的数据非常热门，吸引了大量的并发请求。这样一来，大量请求都无法从缓存中获取数据，直接访问底层存储系统，导致存储系统的压力骤增。

缓存击穿的危害

缓存击穿可能带来一系列严重后果，对系统的稳定性和性能造成负面影响。以下是缓存击穿可能引发的一些危害：

1. 系统性能下降： 缓存击穿导致大量请求绕过缓存，直接访问底层存储系统。这会导致存储系统负载骤增，处理大量请求的同时，存储系统的响应时间可能会急剧上升，从而引起整体系统性能的下降。

2. 数据库压力激增： 缓存击穿会导致大量请求直接访问数据库，使数据库承受了非常大的压力。数据库可能需要同时处理大量读请求，而这些请求是同时发生的，可能引起数据库连接池耗尽、数据库查询效率下降等问题，最终影响系统的整体性能。

3. 服务不可用： 在极端情况下，如果大量请求同时穿透缓存，直接访问存储系统，可能导致存储系统的宕机或响应时间极长，进而影响到整个服务的可用性，使服务对用户不可用。

4. 资源浪费： 缓存击穿意味着大量请求对同一资源进行重复的、相似的查询。这不仅导致存储系统的压力，还浪费了系统资源，包括网络带宽、计算资源等。

5. 用户体验下降： 由于缓存击穿可能导致系统性能下降和服务不可用，用户在访问该热门数据时可能会面临延迟和失败。这对用户体验产生负面影响，尤其是对于需要实时响应的应用场景。

防范缓存击穿

为了防范缓存击穿问题，可以采取多种策略和技术手段：

1. 热点数据预加载： 在数据即将过期之前，提前异步加载新的数据到缓存中。通过定期或异步地预加载热门数据，可以避免缓存失效时大量请求同时访问。

2. 互斥锁机制： 在获取缓存数据之前，先尝试获取锁，只有一个线程能够从底层存储系统中加载数据，其他线程需要等待锁释放。这样可以避免多个线程同时访问存储系统，减轻了缓存击穿的可能性。

3. 设置合理的缓存失效时间： 缓存的过期时间应该设置得既不会导致数据过于陈旧，也不会过于频繁地触发缓存失效。合理的过期时间有助于平衡缓存的新鲜度和系统性能。

4. 使用缓存穿透保护机制： 在缓存中存储空对象或者特殊标记，当缓存中的值是空时，不再继续访问底层存储系统，而是直接返回空结果，从而防止大量请求穿透到存储系统。

5. 分布式锁： 在分布式系统中，使用分布式锁可以确保在集群环境中只有一个节点能够执行缓存失效时的数据加载操作，防止多个节点同时加载相同数据。

6. 缓存雪崩处理： 缓存雪崩是指缓存中大量的数据在同一时刻失效，导致大量请求直接访问底层存储系统。为了避免缓存雪崩，可以通过设置不同的过期时间、使用多级缓存等方式来分散缓存失效的时刻。

7. 监控和报警系统： 部署监控和报警系统，及时捕获系统中可能发生的缓存击穿情况，以便快速响应和修复。

这些策略和技术手段的综合应用可以有效地防范缓存击穿问题，提高系统的稳定性和性能。根据具体应用场景和需求，可以选择合适的组合来应对缓存击穿的挑战。

结语:

通过深入了解Redis缓存击穿，我们可以更好地理解并解决在高并发环境下可能遇到的问题。合理而强大的缓存保护机制是确保系统高性能运行的关键一环，希望本文对你构建更健壮的系统提供有益的指导。