Redis缓存雪崩、击穿、穿透详解与解决方案-优快云博客

一、缓存雪崩

问题原理
大量缓存数据在同一时间过期或Redis集群宕机，导致所有请求直接穿透到数据库，造成数据库压力激增甚至崩溃。雪崩发生时，Redis中资源存在但已过期，数据库资源实际存在。

PHP示例：

// 危险做法：批量设置相同过期时间
$productIds = range(1, 10000);
foreach ($productIds as $id) {
    $key = "product_{$id}";
    $redis->setex($key, 3600, get_product_data($id)); // 全部1小时后同时过期
}

// 雪崩发生时的请求处理
function get_product(int $ id) {
    $key = "product_{$id}";
    if (!$data = $redis->get($key)) {
        // 所有请求同时进入这里查询数据库
        $data = query_database("SELECT * FROM products WHERE id = {$id}");
        $redis->setex($key, 3600, $data);
    }
    return $data;
}

解决方案：

随机过期时间:

$expire = 3600 + random_int(0, 600); // 基础1小时+随机10分钟
$redis->setex($key, $expire, $data);

双层缓存策略：

// 主缓存
$redis->setex($key, 3500, $data);
// 备份缓存（永不过期）
$redis->set("backup_{$key}", $data);

熔断降级机制：

use Swoole\Coroutine;
if ($dbConcurrentRequests > 1000) { // 监控数据库压力
    Coroutine::sleep(0.1); // 延迟处理
    return cached_fallback_data(); // 返回降级数据
}

二、缓存击穿

问题原理
热点Key突然失效时，大量并发请求同时穿透缓存访问数据库。击穿发生时，Redis中资源已过期，但数据库资源实际存在。

PHP示例：

// 热点商品缓存处理
function get_hot_product(int $id) {
    $key = "hot_product_{$id}";
    if (!$data = $redis->get($key)) { // 缓存失效瞬间
        // 瞬间大量并发请求到达此处
        $data = query_database("SELECT * FROM products WHERE id = {$id}");
        $redis->setex($key, 300, $data); // 重新设置缓存
    }
    return $data;
}

解决方案：

分布式锁（互斥锁）：

$lockKey = "lock:{$key}";
if (!$redis->exists($key)) {
    if ($redis->set($lockKey, 1, ['NX', 'EX' => 5])) { // 获取锁
        $data = get_from_db($id);
        $redis->setex($key, 300, $data);
        $redis->del($lockKey);
    } else {
        usleep(200000); // 等待200ms
        return $this->get_hot_product($id); // 重试
    }
}

逻辑过期策略：

$data = [
    'expire' => time() + 300, // 逻辑过期时间
    'value' => $realData
];
$redis->set($key, json_encode($data)); // 永不过期

// 读取时检查逻辑过期
$cached = json_decode($redis->get($key), true);
if ($cached['expire'] < time()) {
    // 异步更新缓存
    start_async_update($key);
}

三、缓存穿透

问题原理
恶意查询不存在的数据（如id=-1），绕过缓存直接访问数据库。穿透发生时，Redis和数据库中资源均不存在。

PHP示例：

// 未做防护的查询
function get_user(int $id) {
    $key = "user_{$id}";
    if (!$data = $redis->get($key)) {
        // 恶意请求反复查询不存在的ID
        $data = query_database("SELECT * FROM users WHERE id = {$id}");
        // 未缓存空结果，导致每次都会查库
    }
    return $data;
}

解决方案：

布隆过滤器拦截：

// 初始化布隆过滤器
$redis->executeRaw(['BF.RESERVE', 'user_filter', '0.001', '1000000']);

// 查询前检查
if (!$redis->executeRaw(['BF.EXISTS', 'user_filter', $id])) {
    return ['error' => 'Data not exists']; // 直接拦截
}

// 数据入库时添加标记
$redis->executeRaw(['BF.ADD', 'user_filter', $newUserId]);

空值缓存策略：

if (!$data = $redis->get($key)) {
    $data = get_from_db($id);
    if (empty($data)) {
        $redis->setex($key, 300, 'NULL'); // 缓存空值
        return null;
    }
    $redis->setex($key, 3600, $data);
}

请求参数校验：

// 拦截非法请求
if ($id <= 0 || !is_numeric($id)) {
    http_response_code(400);
    exit('Invalid ID parameter');
}

四、问题排查与诊断方法

当无法确定问题类型时，通过以下步骤排查：

监控指标分析：

// 获取Redis关键指标
$info = $redis->info();
$hitRate = $info['keyspace_hits'] / ($info['keyspace_hits'] + $info['keyspace_misses']);
$expiredKeys = $info['expired_keys'];

// 判断标准：
if ($hitRate < 0.8) {
    if ($expiredKeys > 1000) return "可能雪崩";
    if (array_key_exists('malicious_ids', $_REQUEST)) return "可能穿透";
    return "可能击穿";
}

日志追踪模式：

// 开启请求日志
function cache_get($key) {
    $start = microtime(true);
    $data = $redis->get($key);
    
    if ($data === false) {
        // 记录缓存未命中
        log_message("CACHE_MISS:{$key}:" . (microtime(true)-$start));
        if (is_malicious_key($key)) {
            log_message("PENETRATION_SUSPECTED:{$key}");
        }
    }
    return $data;
}

压力测试诊断：

# 模拟雪崩（批量过期）
redis-cli keys "product_*" | xargs redis-cli expire 1

# 模拟击穿（删除热点key）
redis-cli del "hot_product_123"

# 模拟穿透（请求不存在key）
ab -n 10000 -c 100 "http://api.example.com/user/-1"

五、通用防御体系

多级缓存架构：

// L1: 本地缓存 (APCu)
if ($data = apcu_fetch($key)) return $data;

// L2: Redis集群
if ($data = $redis->get($key)) {
    apcu_store($key, $data, 60); // 回写本地缓存
    return $data;
}

// L3: 数据库查询（带保护）
$data = protected_db_query($key);

动态熔断机制：

class CircuitBreaker {
    private $failCount = 0;
    
    public function query($sql) {
        if ($this->failCount > 10) {
            throw new Exception("DB熔断开启");
        }
        
        try {
            $result = $db->query($sql);
            $this->failCount = max(0, $this->failCount-2);
            return $result;
        } catch (Exception $e) {
            $this->failCount++;
            throw $e;
        }
    }
}

缓存预热策略：

// 定时任务预热热点数据
$scheduler->addTask('0 3 * * *', function() {
    $hotProducts = get_hot_products_from_logs();
    foreach ($hotProducts as $id) {
        $key = "product_{$id}";
        $data = query_database(...);
        $redis->setex($key, 86400, $data); // 24小时缓存
    }
});

总结对比表

问题类型	触发条件	数据库压力特征	核心解决方案
雪崩	批量缓存同时过期	持续高压	随机过期时间+双层缓存
击穿	热点Key失效	瞬时峰值	分布式锁+逻辑过期
穿透	查询不存在数据	持续无效请求	布隆过滤器+空值缓存

最佳实践建议：

监控缓存命中率：$redis->info('stats')['keyspace_hits']

使用RedisBloom模块实现高效布隆过滤器

关键业务采用Redis Cluster+Sentinel高可用架构

结合Prometheus+Grafana建立监控看板