Redis中缓存预热与缓存穿透解决方案
一、简介
1.1 简介
Redis是一个用于数据缓存、消息代理、持久化存储的内存型数据库。Redis的特点是高性能、高并发、支持丰富的数据类型,可以实现多种应用场景。
1.2 缓存预热 穿透
缓存预热是在系统开始运行之前,将数据加入缓存中。这样在后续的请求中,可以直接从缓存中读取数据,提高了系统的性能和响应速度。
缓存穿透是指查询一个不存在的数据,这会导致大量请求直接打到数据库上,影响数据库的性能。缓存穿透可以通过在缓存层增加布隆过滤器等进行解决。
二、缓存预热
2.1 缓存预热基本原理
缓存预热的基本原理:程序启动或重启的时候,将需要经常访问的数据,提前加载到缓存当中,以便后续直接读取。
2.2 Redis 缓存预热实现
2.2.1 基于数据量预热
根据数据量的大小进行预热,比较常见的方法是在程序启动时,读取所有的数据,将数据全部写入缓存当中,以此实现缓存预热。其优点是预热完成后,可以避免缓存穿透;缺点是数据量大的时候,预热的时间较长。
2.2.2 基于时间预热
根据数据最近的更新时间和访问频率,对数据进行预热。比如最近7天读取频率比较高的数据,在程序启动时就可以进行预热。其优点是可以提高预热效率;缺点是无法避免缓存穿透。
2.2.3 周期性预热
周期性预热是指定期间内进行缓存预热,以保证系统的高效性。比如每天凌晨1点进行缓存预热,以此保证当系统高峰期到来时,能够有足够的缓存支持。其优点是预热时间可控,缺点是可能不能覆盖到所有的数据。
public class RedisCachePreheating { /** * 缓存预热:基于数据量预热 */ public void preheatByDataSize(){ // 读取所有数据 List<Data> dataList = readAllData(); for(Data data : dataList){ // 将数据写入缓存 writeToCache(data); } } /** * 缓存预热:基于时间预热 */ public void preheatByTime(){ // 获取最近7天的数据列表 List<Data> dataList = readDataByTime(7); for(Data data : dataList){ // 将数据写入缓存 writeToCache(data); } } /** * 缓存预热:周期性预热 */ public void periodPreheat(){ // 每隔1小时预热一次 Timer timer = new Timer(); timer.schedule(new TimerTask() { @Override public void run() { // 预热操作,类似于preheatByDataSize()或preheatByTime() } }, 0, 60 * 60 * 1000); } }
三、缓存穿透
3.1 缓存穿透基本原理
缓存穿透是指当一个查询不存在于缓存中,而且每次查询也都不会被缓存时,就会直接访问数据库。如果出现大量查询结果不存在的情况,就可能导致数据库崩溃。缓存穿透的原因可能是因为查询的条件非常特殊或者恶意攻击。
3.2 Redis 缓存穿透解决方案
以下是常见的 Redis 缓存穿透解决方案:
3.2.1 布隆过滤器
布隆过滤器是一种内存型、不可逆的数据结构。它使用哈希函数来判断一个元素是否在集合中。因为它的计算量小且运行速度快,所以通常被用作解决缓存穿透和大数据去重等问题。
在 Redis 中,我们可以使用 RedisBloom 模块来实现布隆过滤器。
Java 实现布隆过滤器的代码示例:
// 创建布隆过滤器并将其添加到 Redis 中 Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379); RedisBloomFilter<Integer> bloomFilter = RedisBloomFilter.create(jedis, "bloom", 1000, 0.01); bloomFilter.add(42); // 检查元素是否存在于集合中 bloomFilter.contains(42); // 返回 true bloomFilter.contains(666); // 返回 false
3.2.2 缓存空对象
当缓存查询结果为空时,我们可以将这个空对象添加到缓存中。这样下次同样的查询就会命中缓存,而不用去访问数据库了。
Java 实现缓存空对象的代码示例:
// 查询缓存。 Object result = redisTemplate.opsForValue().get(key); if(result == null) { // 查询数据库。 result = dao.query(key); // 将查询结果添加到缓存,有效期设置为 5 分钟。 redisTemplate.opsForValue().set(key, result, Duration.ofMinutes(5)); }
3.2.3 限流
使用限流可以防止恶意攻击。
可以使用 Redis 的计数器和时间窗口算法来将高并发请求控制在一个较低的速率内。
Java 实现简单限流的代码示例:
// 获取当前时间戳。 long now = Instant.now().getEpochSecond(); // 在 Redis 中记录这 1 秒钟内的请求次数。 long current = redisTemplate.opsForValue().increment(key, 1); // 设置有效期为 1 秒钟。 redisTemplate.expire(key, 1, TimeUnit.SECONDS); if(current > maxRequests) { // 请求次数超限,返回失败。 return new Response(false, "too many requests"); } else { // 请求次数未超限。 // 如果是第一个请求,设置过期时间为 1 秒钟。 redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "", Duration.ofSeconds(1)); return new Response(true, ""); }
四、应用实践
4.1 在 Spring Boot 中使用 Redis 缓存预热和缓存穿透解决方案
在 Spring Boot 中,我们可以使用注解来实现缓存预热和缓存穿透解决方案。
首先,我们需要添加 Spring Cache 和 Redis 相关的依赖,并配置 RedisTemplate 和缓存管理器。然后,我们可以在 Service 层的方法上使用 @Cacheable
注解来开启缓存,例如:
@Service public class UserService { @Autowired private UserDao userDao; @Autowired private RedisTemplate<String, User> redisTemplate; @Cacheable(value = "user", key = "#id") public User get(int id) { // 直接从数据库中获取用户。 return userDao.get(id); } }
4.2 在分布式系统中使用 Redis 缓存预热和缓存穿透解决方案
在分布式系统中,我们可以使用 Redisson 或者其他类似的分布式锁来避免重复预热和处理缓存穿透。
例如,我们可以在所有服务器都停止服务前,将缓存数据写入 Redis 中,并加上分布式锁来保证只有一个服务能够进行预热。另外,我们也可以使用分布式锁来避免缓存穿透导致的数据库崩溃等问题。
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