redis缓存篇---大总结（场景+解决方法+具体实现）
前言：
用户的数据一般都是存储于数据库，数据库的数据是落在磁盘上的，磁盘的读写速度可以说是计算机里最慢的硬件了，为了避免用户直接访问数据库，会用 Redis 作为缓存层。
Redis 是内存数据库，我们可以将数据库的数据缓存在 Redis 里，相当于数据缓存在内存，内存的读写速度比硬盘快好几个数量级，这样大大提高了系统性能
引入了缓存层，就会有缓存异常的三个问题，分别是缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透
缓存雪崩
定义：
缓存雪崩是指在缓存中大量的缓存数据同时失效，导致大量请求直接落到数据库引起数据库负载激增，系统压力剧增，从而影响系统正常运行。
发生缓存雪崩有两个原因：
- 大量数据同时过期；
- Redis 故障宕机；
解决方法：
- 均匀设置过期时间；
- 互斥锁；
- 后台更新缓存；
1. 均匀设置过期时间
对缓存数据设置过期时间时，给这些数据的过期时间加上一个随机数，这样就保证数据不会在同一时间过期
简单的 Java 实现代码：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class ExpiringCache {
private Map<String, CacheItem> cache = new HashMap<>();
// 存放缓存项，设置不同过期时间间隔
public void put(String key, Object value) {
// 设置不同过期时间间隔，例如 1 分钟到 5 分钟之间
int expirationInterval = (int) (60 + Math.random() * 240); // 1分钟到5分钟之间的随机数
long expirationTime = System.currentTimeMillis() + expirationInterval * 1000;
CacheItem cacheItem = new CacheItem(value, expirationTime);
cache.put(key, cacheItem);
}
// 获取缓存项，检查是否过期
public Object get(String key) {
CacheItem cacheItem = cache.get(key);
if (cacheItem != null && System.currentTimeMillis() < cacheItem.getExpirationTime()) {
return cacheItem.getValue();
} else {
// 缓存项过期，需要移除
cache.remove(key);
return null;
}
}
// 缓存项类，包含值和过期时间
private static class CacheItem {
private Object value;
private long expirationTime;
public CacheItem(Object value, long expirationTime) {
this.value = value;
this.expirationTime = expirationTime;
}
public Object getValue() {
return value;
}
public long getExpirationTime() {
return expirationTime;
}
}
}
2、互斥锁
当业务线程在处理用户请求时，如果发现访问的数据不在 Redis 里，就加个互斥锁，保证同一时间内只有一个请求来构建缓存（从数据库读取数据，再将数据更新到 Redis 里），当缓存构建完成后，再释放锁。
下面是一个简单的示例代码，演示如何使用互斥锁解决缓存雪崩问题：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class CacheWithMutex {
private final Map<String, String> cache = new HashMap<>();
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public String getFromCache(String key) {
String value = cache.get(key);
if (value == null) {
// 缓存中不存在，获取互斥锁
lock.lock();
try {
// 双重检查，防止多个线程同时通过第一个 if
value = cache.get(key);
if (value == null) {
// 模拟从数据库或其他数据源获取数据
value = fetchDataFromDatabase(key);
// 将数据放入缓存
cache.put(key, value);
}
} finally {
// 释放互斥锁
lock.unlock();
}
}
return value;
}
private String fetchDataFromDatabase(String key) {
// 模拟从数据库中获取数据的操作
System.out.println("Fetching data from database for key: " + key);
return "Data for " + key;
}
public static void main(String[] args) {
CacheWithMutex cache = new CacheWithMutex();
// 启动多个线程并发访问缓存
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int threadNumber = i;
new Thread(() -> {
String key = "key1";
String result = cache.getFromCache(key);
System.out.println("Thread " + threadNumber + ": " + result);
}).start();
}
}
}
在这个示例中，CacheWithMutex 类使用了一个简单的 HashMap 作为缓存，以及一个 ReentrantLock 实例作为互斥锁。在 getFromCache 方法中，当缓存中不存在数据时，多线程会尝试获取互斥锁，然后再次检查缓存是否被其他线程填充了数据。这样可以确保只有一个线程能够从数据库中获取数据并放入缓存，其他线程会等待该线程完成操作后再访问缓存。
3、后台更新缓存
为了异步处理缓存更新，避免业务线程因为等待缓存更新而阻塞，提高系统的并发性和响应速度
业务线程不再负责更新缓存，缓存也不设置有效期，而是让缓存“永久有效”，并将更新缓存的工作交由后台线程定时更新。
在业务线程发现缓存数据失效后（缓存数据被淘汰），通过消息队列发送一条消息通知后台线程更新缓存，后台线程收到消息后，在更新缓存前可以判断缓存是否存在，存在就不执行更新缓存操作；不存在就读取数据库数据，并将数据加载到缓存
在业务刚上线的时候，我们最好提前把数据缓起来，而不是等待用户访问才来触发缓存构建，这就是所谓的缓存预热
“业务线程”指的是处理具体业务逻辑的线程，它是用户请求的处理线程
以下是一个简化的例子，展示了后台更新缓存的示例代码：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
// 商家信息类
class Merchant {
private int id;
private String name;
public Merchant(int id, String name) {
this.id = id;
this.name = name;
}
public int getId() {
return id;
}
public String getName() {
return name;
}
}
// 商家缓存管理类
class MerchantCacheManager {
private static final Map<Integer, Merchant> merchantCache = new HashMap<>();
// 初始化商家缓存
static {
merchantCache.put(1, new Merchant(1, "Merchant A"));
merchantCache.put(2, new Merchant(2, "Merchant B"));
merchantCache.put(3, new Merchant(3, "Merchant C"));
}
// 获取商家信息
public static Merchant getMerchant(int merchantId) {
return merchantCache.get(merchantId);
}
// 更新商家缓存
public static void updateMerchantCache() {
// 模拟从数据库或其他来源获取最新的商家信息
Map<Integer, Merchant> updatedData = fetchUpdatedMerchantData();
// 更新缓存
merchantCache.clear();
merchantCache.putAll(updatedData);
System.out.println("Merchant cache updated.");
}
// 模拟从数据库获取最新的商家信息
private static Map<Integer, Merchant> fetchUpdatedMerchantData() {
// 实际应用中，可以从数据库中查询最新的商家信息
// 这里简化为手动创建一个新的商家信息集合
Map<Integer, Merchant> updatedData = new HashMap<>();
updatedData.put(1, new Merchant(1, "Updated Merchant A"));
updatedData.put(2, new Merchant(2, "Updated Merchant B"));
updatedData.put(3, new Merchant(3, "Updated Merchant C"));
return updatedData;
}
}
public class BackgroundCacheUpdateExample {
public static void main(String[] args) {
// 启动后台定时任务，每隔一段时间更新商家缓存
ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
executorService.scheduleAtFixedRate(MerchantCacheManager::updateMerchantCache, 0, 5, TimeUnit.SECONDS);
// 模拟业务线程，获取商家信息
for (int i = 1; i <= 3; i++) {
final int merchantId = i;
new Thread(() -> {
Merchant merchant = MerchantCacheManager.getMerchant(merchantId);
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getId() +
" - Merchant Info: " + merchant.getId() + ", " + merchant.getName());
}).start();
}
}
}
Redis 故障宕机
常见的应对方法有下面这几种：
- 服务熔断或请求限流机制；
- 构建 Redis 缓存高可靠集群；
1. 服务熔断或请求限流机制
服务熔断和请求限流是微服务架构中常用的两种机制，用于提高系统的稳定性和防止雪崩效应。
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服务熔断（Circuit Breaking）：
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定义：服务熔断是一种防止分布式系统中因服务故障导致的连锁反应，使得整个系统保持稳定的机制。类似于电路中的熔断器，当系统中的服务发生故障或异常时，可以主动熔断，避免故障扩散到整个系统。
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原理：通过监控服务的调用情况，当服务的错误率达到一定阈值时，系统会启动熔断机制，暂时停止对该服务的调用，避免影响到整个系统。在熔断状态下，系统可以执行降级操作，如返回缓存数据或默认值。
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优势：防止故障的传递，提高系统的容错性，保持系统的可用性。
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实现：通常使用熔断器（Circuit Breaker）模式来实现，如Netflix的Hystrix等。
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请求限流：
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定义：请求限流是一种通过控制请求的访问频率，避免系统因请求过多而产生的资源竞争、拥塞或服务不可用的机制。通过限制并发访问的请求数量，保障系统的稳定性。
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原理：对请求进行限制，当请求的速率超过系统的处理能力时，采取一定策略，如拒绝服务、延迟处理、排队等。通过限制并发请求数，可以有效控制系统的负载。
-
优势：防止系统过载，提高系统的稳定性和可用性。
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实现：使用令牌桶算法、漏桶算法等，或者通过使用专业的限流组件，如Guava RateLimiter等。
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这两种机制通常在微服务架构中结合使用，以应对不同层面的问题。服务熔断主要用于防止故障的传递，而请求限流主要用于控制系统的访问频率，防止系统被过多的请求拖垮。综合使用这两种机制，可以提高系统的健壮性和稳定性。
2. 构建 Redis 缓存高可靠集群
服务熔断或请求限流机制是缓存雪崩发生后的应对方案，我们最好通过主从节点的方式构建 Redis 缓存高可靠集群。
如果 Redis 缓存的主节点故障宕机，从节点可以切换成为主节点，继续提供缓存服务，避免了由于 Redis 故障宕机而导致的缓存雪崩问题
缓存击穿
定义：如果缓存中的某个热点数据过期了，此时大量的请求访问了该热点数据，就无法从缓存中读取，直接访问数据库，数据库很容易就被高并发的请求冲垮
业务通常会有几个数据会被频繁地访问，比如秒杀活动，这类被频地访问的数据被称为热点数据
为了防止缓存击穿，可以采取以下一些策略：
- 互斥锁方案，保证同一时间只有一个业务线程更新缓存，未能获取互斥锁的请求，要么等待锁释放后重新读取缓存，要么就返回空值或者默认值。
- 不给热点数据设置过期时间，由后台异步更新缓存，或者在热点数据准备要过期前，提前通知后台线程更新缓存以及重新设置过期时间；
缓存穿透
定义：当用户访问的数据，既不在缓存中，也不在数据库中，导致请求在访问缓存时，发现缓存缺失，再去访问数据库时，发现数据库中也没有要访问的数据，没办法构建缓存数据，来服务后续的请求。那么当有大量这样的请求到来时，数据库的压力骤增
缓存穿透的发生一般有这两种情况：
- 业务误操作，缓存中的数据和数据库中的数据都被误删除了，所以导致缓存和数据库中都没有数据；
- 黑客恶意攻击，故意大量访问某些读取不存在数据的业务；
应对缓存穿透的方案，常见的方案有三种
第一种方案，非法请求的限制；
第二种方案，缓存空值或者默认值；
第三种方案，使用布隆过滤器快速判断数据是否存在，避免通过查询数据库来判断数据是否存在；
第一种方案，非法请求的限制
在 API 入口处我们要判断求请求参数是否合理，请求参数是否含有非法值、请求字段是否存在，如果判断出是恶意请求就直接返回错误，避免进一步访问缓存和数据库。
第二种方案，缓存空值或者默认值
针对查询的数据，在缓存中设置一个空值或者默认值，这样后续请求就可以从缓存中读取到空值或者默认值，返回给应用，而不会继续查询数据库。
第三种方案，使用布隆过滤器快速判断数据是否存在，避免通过查询数据库来判断数据是否存在。
在写入数据库数据时，使用布隆过滤器做个标记，然后在用户请求到来时，业务线程确认缓存失效后，可以通过查询布隆过滤器快速判断数据是否存在，如果不存在，就不用通过查询数据库来判断数据是否存在
布隆过滤器是如何工作的呢？
布隆过滤器会通过 3 个操作完成标记：
第一步，使用 N 个哈希函数分别对数据做哈希计算，得到 N 个哈希值；
第二步，将第一步得到的 N个哈希值对位图数组的长度取模，得到每个哈希值在位图数组的对应位置。
第三步，将每个哈希值在位图数组的对应位置的值设置为 1；
当应用要查询数据 x 是否数据库时，通过布隆过滤器只要查到位图数组的映射 位置的值是否全为 1，只要有一个为 0，就认为数据 x 不在数据库中。
高效查找的同时存在哈希冲突的可能性：所以，查询布隆过滤器说数据存在，并不一定证明数据库中存在这个数据，但是查询到数据不存在，数据库中一定就不存在这个数据。