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在实际生产环境中有时会遇到缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩等异常场景，为了避免异常带来巨大损失，我们需要了解每种异常发生的原因以及解决方案，帮助提升系统可靠性和高可用。

缓存穿透

什么是缓存穿透？

缓存穿透是指用户请求的数据在缓存中不存在即没有命中，同时在数据库中也不存在，导致用户每次请求该数据都要去数据库中查询一遍，然后返回空。

如果有恶意攻击者不断请求系统中不存在的数据，会导致短时间大量请求落在数据库上，造成数据库压力过大，甚至击垮数据库系统。

缓存穿透常用的解决方案

（1）布隆过滤器（推荐）

布隆过滤器（Bloom Filter，简称BF）由Burton Howard Bloom在1970年提出，是一种空间效率高的概率型数据结构。

布隆过滤器专门用来检测集合中是否存在特定的元素。

如果在平时我们要判断一个元素是否在一个集合中，通常会采用查找比较的方法，下面分析不同的数据结构查找效率：

  • 采用线性表存储，查找时间复杂度为O(N)
  • 采用平衡二叉排序树（AVL、红黑树）存储，查找时间复杂度为O(logN)
  • 采用哈希表存储，考虑到哈希碰撞，整体时间复杂度也要O[log(n/m)]

当需要判断一个元素是否存在于海量数据集合中，不仅查找时间慢，还会占用大量存储空间。接下来看一下布隆过滤器如何解决这个问题。

布隆过滤器设计思想

布隆过滤器由一个长度为m比特的位数组（bit array）与k个哈希函数（hash function）组成的数据结构。位数组初始化均为0，所有的哈希函数都可以分别把输入数据尽量均匀地散列。

当要向布隆过滤器中插入一个元素时，该元素经过k个哈希函数计算产生k个哈希值，以哈希值作为位数组中的下标，将所有k个对应的比特值由0置为1。

当要查询一个元素时，同样将其经过哈希函数计算产生哈希值，然后检查对应的k个比特值：如果有任意一个比特为0，表明该元素一定不在集合中；如果所有比特均为1，表明该集合有可能性在集合中。为什么不是一定在集合中呢？因为不同的元素计算的哈希值有可能一样，会出现哈希碰撞，导致一个不存在的元素有可能对应的比特位为1，这就是所谓“假阳性”（false positive）。相对地，“假阴性”（false negative）在BF中是绝不会出现的。

总结一下：布隆过滤器认为不在的，一定不会在集合中；布隆过滤器认为在的，可能在也可能不在集合中。

举个例子：下图是一个布隆过滤器，共有18个比特位，3个哈希函数。集合中三个元素x，y，z通过三个哈希函数散列到不同的比特位，并将比特位置为1。当查询元素w时，通过三个哈希函数计算，发现有一个比特位的值为0，可以肯定认为该元素不在集合中。


布隆过滤器优缺点

优点：

  • 节省空间：不需要存储数据本身，只需要存储数据对应hash比特位
  • 时间复杂度低：插入和查找的时间复杂度都为O(k)，k为哈希函数的个数

缺点：

  • 存在假阳性：布隆过滤器判断存在，可能出现元素不在集合中；判断准确率取决于哈希函数的个数
  • 不能删除元素：如果一个元素被删除，但是却不能从布隆过滤器中删除，这也是造成假阳性的原因了

布隆过滤器适用场景

  • 爬虫系统url去重
  • 垃圾邮件过滤
  • 黑名单

（2）返回空对象

当缓存未命中，查询持久层也为空，可以将返回的空对象写到缓存中，这样下次请求该key时直接从缓存中查询返回空对象，请求不会落到持久层数据库。为了避免存储过多空对象，通常会给空对象设置一个过期时间。

这种方法会存在两个问题：

  • 如果有大量的key穿透，缓存空对象会占用宝贵的内存空间。
  • 空对象的key设置了过期时间，在这段时间可能会存在缓存和持久层数据不一致的场景。

缓存击穿

什么是缓存击穿？

缓存击穿，是指一个key非常热点，在不停的扛着大并发，大并发集中对这一个点进行访问，当这个key在失效的瞬间，持续的大并发就穿破缓存，直接请求数据库，就像在一个屏障上凿开了一个洞。

缓存击穿危害

数据库瞬时压力骤增，造成大量请求阻塞。

如何解决

使用互斥锁（mutex key）

这种思路比较简单，就是让一个线程回写缓存，其他线程等待回写缓存线程执行完，重新读缓存即可。


同一时间只有一个线程读数据库然后回写缓存，其他线程都处于阻塞状态。如果是高并发场景，大量线程阻塞势必会降低吞吐量。这种情况如何解决？大家可以在留言区讨论。

如果是分布式应用就需要使用分布式锁。

热点数据永不过期

永不过期实际包含两层意思：

  • 物理不过期，针对热点key不设置过期时间
  • 逻辑过期，把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建

从实战看这种方法对于性能非常友好，唯一不足的就是构建缓存时候，其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据，对于不追求严格强一致性的系统是可以接受的。

缓存雪崩

什么是缓存雪崩？

缓存雪崩是指缓存中数据大批量到过期时间，而查询数据量巨大，请求直接落到数据库上，引起数据库压力过大甚至宕机。和缓存击穿不同的是，缓存击穿指并发查同一条数据，缓存雪崩是不同数据都过期了，很多数据都查不到从而查数据库。

缓存雪崩解决方案

常用的解决方案有：

  • 均匀过期
  • 加互斥锁
  • 缓存永不过期
  • 双层缓存策略

（1）均匀过期

设置不同的过期时间，让缓存失效的时间点尽量均匀。通常可以为有效期增加随机值或者统一规划有效期。

（2）加互斥锁

跟缓存击穿解决思路一致，同一时间只让一个线程构建缓存，其他线程阻塞排队。

（3）缓存永不过期

跟缓存击穿解决思路一致，缓存在物理上永远不过期，用一个异步的线程更新缓存。

（4）双层缓存策略

使用主备两层缓存：

主缓存：有效期按照经验值设置，设置为主读取的缓存，主缓存失效后从数据库加载最新值。

备份缓存：有效期长，获取锁失败时读取的缓存，主缓存更新时需要同步更新备份缓存。

缓存预热

什么是缓存预热？

缓存预热就是系统上线后，将相关的缓存数据直接加载到缓存系统，这样就可以避免在用户请求的时候，先查询数据库，然后再将数据回写到缓存。

如果不进行预热， 那么 Redis 初始状态数据为空，系统上线初期，对于高并发的流量，都会访问到数据库中， 对数据库造成流量的压力。

缓存预热的操作方法

  • 数据量不大的时候，工程启动的时候进行加载缓存动作；
  • 数据量大的时候，设置一个定时任务脚本，进行缓存的刷新；
  • 数据量太大的时候，优先保证热点数据进行提前加载到缓存。

缓存降级

缓存降级是指缓存失效或缓存服务器挂掉的情况下，不去访问数据库，直接返回默认数据或访问服务的内存数据。

在项目实战中通常会将部分热点数据缓存到服务的内存中，这样一旦缓存出现异常，可以直接使用服务的内存数据，从而避免数据库遭受巨大压力。

降级一般是有损的操作，所以尽量减少降级对于业务的影响程度。