高并发缓存处理之——缓存穿透的几种形式及解决方案

最新推荐文章于 2024-11-25 16:03:01 发布

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#缓存穿透 #缓存并发 #缓存雪崩 #高并发

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本文探讨了缓存失效的三种常见形式：缓存穿透、缓存雪崩和缓存击穿，及其对系统性能的影响。提出了使用布隆过滤器、时间岔开策略和互斥锁(mutex)等解决方案，以保障缓存系统的稳定性和效率。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

缓存失效的几种形式

1 缓存穿透

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写的，并且出于容错考虑，如果从存储层查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。
key不存在时，大量的数据进来查询DB

解决方案：有很多种方法可以有效地解决缓存穿透问题，最常见的则是采用布隆过滤器，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个一定不存在的数据会被这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。另外也有一个更为简单粗暴的方法（我们采用的就是这种），如果一个查询返回的数据为空（不管是数据不存在，还是系统故障），我们仍然把这个空结果进行缓存，但它的过期时间会很短，最长不超过五分钟。

2 缓存雪崩(缓存失效)

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重雪崩。
key是多个

解决方案：缓存失效时的雪崩效应对底层系统的冲击非常可怕。大多数系统设计者考虑用加锁或者队列的方式保证缓存的单线程（进程）写，从而避免失效时大量的并发请求落到底层存储系统上。这里分享一个简单方案就时讲缓存失效时间分散开，比如我们可以在原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。
关键字：时间岔开，确保大家的key不会落在同一个expire点上。

3 缓存击穿(缓存并发)

对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题，这个和缓存雪崩的区别在于这里针对某一key缓存，前者则是很多key。
指同一个key。

解决方案：

导致问题的原因是同一时间查，同一时间写缓存，导致并发下缓存也没用，所以考虑使用单线程等方法将写缓存保证只有一个去查了写，其他的使用缓存。

业界比较常用的做法，是使用mutex。简单地来说，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去load db，而是先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一个mutex key，当操作返回成功时，再进行load db的操作并回设缓存；否则，就重试整个get缓存的方法。
SETNX，是「SET if Not eXists」的缩写，也就是只有不存在的时候才设置，可以利用它来实现锁的效果。在redis2.6.1之前版本未实现setnx的过期时间，所以
这里给出两种版本代码参考：

1.使用互斥锁(mutex key)

//2.6.1前单机版本锁  
String get(String key) {    
   String value = redis.get(key);    
   if (value  == null) {    
    if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {    
        // 3 min timeout to avoid mutex holder crash    
        redis.expire(key_mutex, 3 * 60)    
        value = db.get(key);    
        redis.set(key, value);    
        redis.delete(key_mutex);    
    } else {    
        //其他线程休息50毫秒后重试    
        Thread.sleep(50);    
        get(key);    
    }    
  }    
}  
最新版本代码：
[java] view plain copy
public String get(key) {  
      String value = redis.get(key);  
      if (value == null) { //代表缓存值过期  
          //设置3min的超时，防止del操作失败的时候，下次缓存过期一直不能load db  
          if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) {  //代表设置成功  
               value = db.get(key);  
                      redis.set(key, value, expire_secs);  
                      redis.del(key_mutex);  
              } else {  //这个时候代表同时候的其他线程已经load db并回设到缓存了，这时候重试获取缓存值即可  
                      sleep(50);  
                      get(key);  //重试  
              }  
          } else {  
              return value;        
          }  
 }  
memcache代码：
[java] view plain copy
if (memcache.get(key) == null) {    
    // 3 min timeout to avoid mutex holder crash    
    if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {    
        value = db.get(key);    
        memcache.set(key, value);    
        memcache.delete(key_mutex);    
    } else {    
        sleep(50);    
        retry();    
    }    
}

转载：https://blog.youkuaiyun.com/zhousenshan/article/details/82846774