缓存穿透、击穿、雪崩

什么是缓存穿透

缓存穿透是指查询一个缓存中和数据库中都不存在的数据，导致每次查询这条数据都会透过缓存，直接查库，最后返回空。当用户使用这条不存在的数据疯狂发起查询请求的时候，对数据库造成的压力就非常大，甚至可能直接挂掉。这种情况的流程就变成下图这样了：

缓存穿透解决方案

解决缓存穿透的方法一般有两种，第一种是缓存空对象，第二种是使用布隆过滤器。
第一种方法比较好理解，就是当数据库中查不到数据的时候，我缓存一个空对象，然后给这个空对象的缓存设置一个过期时间，这样下次再查询该数据的时候，就可以直接从缓存中拿到，从而达到了减小数据库压力的目的。但这种解决方式有两个缺点：（1）需要缓存层提供更多的内存空间来缓存这些空对象，当这种空对象很多的时候，就会浪费更多的内存；（2）会导致缓存层和存储层的数据不一致，即使在缓存空对象时给它设置了一个很短的过期时间，那也会导致这一段时间内的数据不一致问题。
第二种方案是使用布隆过滤器，这是比较推荐的方法。所谓布隆过滤器，就是一种数据结构，它是由一个长度为m bit的位数组与n个hash函数组成的数据结构，位数组中每个元素的初始值都是0。在初始化布隆过滤器时，会先将所有key进行n次hash运算，这样就可以得到n个位置，然后将这n个位置上的元素改为1。这样，就相当于把所有的key保存到了布隆过滤器中了。
举个例子，比如我们一共有3个key，我们对这3个key分别进行3次hash运算，key1经过三次hash运算后的结果分别为2/6/10，那么就把布隆过滤器中下标为2/6/10的元素值更新为1，然后再分别对key2和key3做同样操作，结果如下图：

这样，当客户端查询时，也对查询的key做3次hash运算得到3个位置，然后看布隆过滤器中对应位置元素的值是否为1，如果所有对应位置元素的值都为1，就证明key在库中存在，则继续向下查询；如果3个位置中有任意一个位置的值不为1，那么就证明key在库中不存在，直接返回客户端空即可。如下图：

当客户端查询key4时，key4的3次hash运算中，有一个位置8的值为0，就说明key4在库中不存在，直接返回客户端空即可。
所以，布隆过滤器就相当于一个位于客户端与缓存层中间的拦截器一样，负责判断key是否在集合中存在。如下图：

布隆过滤器的好处就是解决了第一种缓存空值的不足，但布隆过滤器也存在缺陷，首先，它有误判的可能，比如在上面客户端查询key4的图中，假如key4经过3次hash运算得到的位置分别是2/4/6，由于这3个位置的值都是1，所以，布隆过滤器就认为key4在库中存在，进而继续向下查询了。所以，布隆过滤器判断存在的key实际上可能是不存在的，但布隆过滤器判断不存在的key是一定不存在的。它的第二个缺点就是删除元素比较难，比如现在要删除key2这个元素，那么需要将2/7/11三个位置的元素值改为0，但这样就会影响到key1和key3的判断。
那么后面我也会出一篇文章，讲一下布隆过滤器这块。

什么是缓存击穿

缓存击穿是指当缓存中某个热点数据过期了，在该热点数据重新载入缓存之前，有大量的查询请求穿过缓存，直接查询数据库。这种情况会导致数据库压力瞬间骤增，造成大量请求阻塞，甚至直接挂掉。

缓存击穿解决方案

解决缓存击穿的方法也有两种，第一种是设置key永不过期；第二种是使用分布式锁，保证同一时刻只能有一个查询请求重新加载热点数据到缓存中，这样，其他的线程只需等待该线程运行完毕，即可重新从Redis中获取数据。
第一种方式比较简单，在设置热点key的时候，不给key设置过期时间即可。不过还有另外一种方式也可以达到key不过期的目的，就是正常给key设置过期时间，不过在后台同时启一个定时任务去定时地更新这个缓存。

第二种方式使用了加锁的方式，锁的对象就是key，这样，当大量查询同一个key的请求并发进来时，只能有一个请求获取到锁，然后获取到锁的线程查询数据库，然后将结果放入到缓存中，然后释放锁，此时，其他处于锁等待的请求即可继续执行，由于此时缓存中已经有了数据，所以直接从缓存中获取到数据返回，并不会查询数据库。

什么是缓存雪崩

缓存雪崩是指当缓存中有大量的key在同一时刻过期，或者Redis直接宕机了，导致大量的查询请求全部到达数据库，造成数据库查询压力骤增，甚至直接挂掉。

缓存雪崩解决方案

针对第一种大量key同时过期的情况，解决起来比较简单，只需要将每个key的过期时间打散即可，使它们的失效点尽可能均匀分布（最好是固定时间+随机时间）。
针对第二种redis发生故障的情况，部署redis时可以使用redis的几种高可用方案部署。
除了上面两种解决方式，还可以使用其他策略，比如设置key永不过期、加分布式锁等。