什么是缓存穿透,缓存击穿和缓存雪崩?

本文探讨了缓存常见的三种问题:缓存穿透、击穿和雪崩,解释了它们的定义、原因及解决方案,包括设置过期时间、合法校验、布隆过滤器、锁定策略和集群部署等技术手段。

1.缓存穿透(Cache penetration)

什么是缓存穿透

数据库与缓存中都无此值,请求穿过缓存,访问数据库,导致数据库压力过大

解决方案:

  • 缓存空值,并设置过期时间小一点,不然会对数据的准确性造成影响
  • 对用户请求进行合法校验
  • 布隆过滤器

2.缓存击穿(Cache breakdown)

什么是缓存击穿?

缓存击穿是一种场景,当缓存的数据过期,同时对过期的数据进行大量请求,这突然导致搜索直接命中数据库,并极大地增加了数据库层的负载。这将在高并发环境中发生。

解决方案:

通常,在这种情况下,需要对搜索到的键进行锁定,以便其他线程在某些线程试图搜索键并更新缓存时需要等待。在更新缓存并释放锁之后,其他线程将能够读取新缓存的数据。
另一种可行的方法是通过工作线程异步更新缓存的数据,以使热数据永不过期。

3.缓存雪崩(Cache avalanche)

什么是缓存雪崩?

缓存雪崩是一种场景,大量缓存的数据同时到期或缓存服务关闭,并且突然之间所有对这些数据的搜索都将冲击数据库并给数据库层造成高负载并影响性能。

解决方案:

  • 使用集群来确保缓存服务器实例在任何时间都处于服务状态。如果使用Redis,则可以具有Redis集群。
  • 可以配置其他一些方法,例如Hystrix断路器和速率限制,以便基础系统仍可以为流量提供服务并避免高负载
    可以调整不同按键的到期时间,以使它们不会同时到期。
  • 所有缓解方法都需要根据实际用例和系统设计要求来实施。
<think>好的,用户想了解缓存穿透缓存击穿缓存雪崩的定义、区别解决方案。首先,我需要回忆这三个概念的基本定义。根据引用[3],缓存穿透是查询不存在的数据,绕过缓存直接访问数据库;缓存击穿是热点key过期后大量请求直达数据库;缓存雪崩是大量key同时失效或Redis宕机导致数据库压力骤增。 接下来要区分它们的区别。根据引用[1][4],缓存击穿可以视为缓存雪崩的子集,但前者是单个或少量热点key失效,后者是大量key同时失效。而缓存穿透则是查询不存在的数据,无论key是否存在。需要明确这三者的不同场景影响范围。 解决方案方面,缓存穿透通常用布隆过滤器或空值缓存,引用[2][5]提到这些方法。缓存击穿可以用互斥锁或逻辑过期,引用[5]还提到多级缓存缓存雪崩则需要随机TTL、集群部署降级策略,引用[5]详细说明了这些方法。 需要确保回答结构清晰,先分别解释每个问题的定义解决方法,再对比区别。同时注意使用正确的中文表达LaTeX格式,比如变量用$...$,如TTL。还要检查引用标识是否正确对应,避免混淆。最后生成相关问题,帮助用户深入理解。</think>### 缓存穿透缓存击穿缓存雪崩详解 #### 1. **缓存穿透** **定义**:查询数据库中**不存在的数据**(如无效ID),导致请求绕过缓存直接访问数据库。若恶意攻击者频繁发起此类请求,数据库压力剧增[^2][^3]。 **解决方案**: - **布隆过滤器**:预先存储所有合法key的哈希值,拦截无效请求(例如:$H(key) \rightarrow \text{位数组}$)。 - **空值缓存**:对无效查询结果缓存短时间(如$5\text{min}$),减少重复穿透[^5]。 - **请求校验**:在业务层过滤明显非法的参数(如负数的ID)。 --- #### 2. **缓存击穿** **定义**:**热点key过期瞬间**,大量并发请求直达数据库,导致数据库瞬时压力过大[^1][^4]。 **解决方案**: - **互斥锁(Mutex Lock)**:仅允许一个线程重建缓存,其他线程等待(例如使用Redis的`SETNX`命令)。 - **逻辑过期**:缓存数据中存储逻辑过期时间,异步更新缓存(例如:$t_{\text{expire}} = t_{\text{current}} + 300$)。 - **永不过期策略**:后台定时更新热点key,避免自动失效[^5]。 --- #### 3. **缓存雪崩** **定义**:**大量key同时失效**或Redis服务宕机,导致请求全部涌向数据库,可能引发级联故障。 **解决方案**: - **随机TTL**:为不同key设置差异化的过期时间(例如:$TTL = \text{基础值} + \text{随机数}$)[^5]。 - **Redis集群与哨兵模式**:通过高可用架构避免单点故障(如主从切换)。 - **多级缓存**:结合本地缓存(如JVM堆缓存)、Nginx缓存等分散压力。 - **降级限流**:在数据库压力过大时,暂时拒绝部分非核心请求。 --- ### 三者的区别 | 问题类型 | 触发条件 | 影响范围 | 核心特征 | |----------|----------------------------|------------------|-----------------------| | 穿透 | 查询不存在的数据 | 单个或少量key | 绕过缓存 | | 击穿 | 热点key过期 | 单个热点key | 瞬时高并发 | | 雪崩 | 大量key失效/Redis宕机 | 全局或大量key | 系统级压力 | --- ### 关联与扩展 - **缓存击穿雪崩的子集**:若多个热点key同时失效,可能演变为雪崩。 - **防御组合策略**:实际场景中常综合使用布隆过滤器、多级缓存随机TTL。
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