Redis解决缓存雪崩、穿透和击穿的问题(Redis使用必看)

缓存击穿

缓存击穿问题也叫热点Key问题，就是一个被高并发访问并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：

- 互斥锁
	- 逻辑过期
	- key 永不过期
	- 接口限流

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，都没查到，接着同一时间去访问数据库，同时的去执行数据库代码，对数据库访问压力非常大。

解决方案一、使用锁来解决：

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，我们可以采用 tryLock 方法 + double check 来解决这样的问题。假设现在线程1过来访问，他查询缓存没有命中，但是此时他获得到了锁的资源，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，并没有获得到锁，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，由于线程线程2持有着锁，所以线程3无法获得锁，线程3也直接返回数据，只有等到新开的线程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，缺点在于在构建完缓存之前，返回的都是脏数据。

进行对比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，也没其他的事情需要操心，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受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。

解决方案三、永不过期 主动更新

解决方案四、接口限流

利用互斥锁解决缓存击穿问题

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到了锁的线程，再去进行查询，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，则插入成功，返回1，在 stringRedisTemplate 中返回 true， 如果有这个 key 则插入失败，则返回0，在stringRedisTemplate 返回 false，我们可以通过 true，或者是 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到锁的线程。

private boolean tryLock(String key, String value, long time) {
    Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value, time, TimeUnit.SECONDS);
    return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
private void unlock(String key) {
    stringRedisTemplate.delete(key);
}

操作锁要注意对 value 加入标识，在释放锁之前对其进行判断是不是自己的锁，防止误删！（还要保证判断语句和释放语句的原子性 可以用 lua 脚本）

核心代码：

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;
	long current_thread_id = Thread.currentThread().getId();
    Shop shop = null;
    try {
        boolean isLock = tryLock(lockKey, current_thread_id, 10);
        // 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
        Object o = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
        if(o != null && (String)o.equals(current_thread_id)){
            unlock(lockKey);
        }
    }
    return shop;
}

利用逻辑过期解决缓存击穿问题

缓存穿透

缓存穿透 ：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，这些请求都会打到数据库。

常见的解决方案有以下几种：

• 缓存空对象
  • 优点：实现简单，维护方便
  • 缺点：
    • 额外的内存消耗
    • 可能造成短期的不一致
• 布隆过滤
  • 优点：内存占用较少，没有多余key
  • 缺点：
    • 实现复杂
    • 存在误判可能
• id 格式校验

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。因为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，那么在redis中也能找到这个数据就不会进入到缓存了。

布隆过滤

我们可以将数据库的数据，所对应的id写入到一个list集合中，当用户过来访问的时候，我们直接去判断list中是否包含当前的要查询的数据，如果说用户要查询的id数据并不在list集合中，则直接返回，如果list中包含对应查询的id数据，则说明不是一次缓存穿透数据，则直接放行。

现在的问题是这个主键其实并没有那么短，而是很长的一个 主键哪怕你单独去提取这个主键，但是在11年左右，淘宝的商品总量就已经超过10亿个所以如果采用以上方案，这个list也会很大，所以我们可以使用bitmap来减少list的存储空间我们可以把list数据抽象成一个非常大的bitmap，我们不再使用list，而是将db中的id数据利用哈希思想，比如：id % bitmap.size = 算出当前这个id对应应该落在bitmap的哪个索引上，然后将这个值从0变成1，然后当用户来查询数据时，此时已经没有了list，让用户用他查询的id去用相同的哈希算法， 算出来当前这个id应当落在bitmap的哪一位，然后判断这一位是0，还是1，如果是0则表明这一位上的数据一定不存在， 采用这种方式来处理，需要重点考虑一个事情，就是误差率，所谓的误差率就是指当发生哈希冲突的时候，产生的误差。

id 格式校验

将客户端传来的 id 做校验比如：

if(id < 1 || id > Integer.MIN_VALUE){
	return null;
}

具体校验根据业务来。

缓存雪崩

缓存雪崩是指在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

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