缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩及解决方案

1. 缓存穿透（Cache Penetration）

问题描述

• 定义：大量请求查询数据库中不存在的数据，绕过缓存直接访问数据库。
• 原因：恶意攻击（如随机伪造 ID）或业务逻辑缺陷（如查询未校验的参数）。
• 影响：数据库压力骤增，可能引发宕机。

解决方案

方案	实现方式	优缺点
布隆过滤器（Bloom Filter）	在缓存层前加布隆过滤器，预先存储所有可能存在的 key，拦截非法请求。	- 优点：高效拦截无效请求。 - 缺点：存在误判率，需定期更新过滤器数据。
缓存空值（Cache Null）	对数据库中不存在的 key，缓存一个空值（如 NULL），并设置较短的过期时间。	- 优点：简单易实现。 - 缺点：可能缓存大量无效 key，占用内存空间。
请求参数校验	在业务层对请求参数进行合法性校验（如 ID 范围、格式）。	- 优点：直接过滤非法请求。 - 缺点：无法完全覆盖所有非法参数场景。

2. 缓存击穿（Cache Breakdown）

问题描述

• 定义：某个热点 key 突然过期，大量并发请求直接击穿缓存，访问数据库。
• 原因：高并发场景下，热点 key 过期后重建缓存耗时较长。
• 影响：数据库瞬时压力极大，可能导致服务雪崩。

解决方案

方案	实现方式	优缺点
互斥锁（Mutex Lock）	使用分布式锁（如 Redis 的 SETNX），保证同一时间只有一个线程重建缓存。	- 优点：避免并发重建。 - 缺点：锁竞争可能增加延迟，需处理锁超时问题。
逻辑过期（Logical Expire）	缓存数据不设置物理过期时间，而是存储逻辑过期时间，由后台异步更新缓存。	- 优点：缓存永不过期，避免击穿。 - 缺点：需维护异步更新逻辑，复杂性高。
热点数据永不过期	对极热点 key 设置为永不过期，通过定时任务或事件驱动更新缓存。	- 优点：彻底避免击穿。 - 缺点：数据更新延迟，需额外维护更新逻辑。

3. 缓存雪崩（Cache Avalanche）

问题描述

• 定义：大量缓存 key 同时过期 或 缓存服务宕机，导致请求直接访问数据库。
• 原因：缓存 key 过期时间集中，或 Redis 集群故障。
• 影响：数据库压力过大，可能引发级联故障。

解决方案

方案	实现方式	优缺点
随机过期时间	为每个 key 的过期时间添加随机值（如基础时间 + 随机分钟），避免集中过期。	- 优点：简单有效。 - 缺点：无法完全避免部分 key 同时过期。
多级缓存架构	结合本地缓存（如 Caffeine）和分布式缓存（如 Redis），分散缓存失效风险。	- 优点：提高系统容错性。 - 缺点：架构复杂性增加，数据一致性需处理。
熔断降级机制	使用熔断器（如 Hystrix）或限流工具（如 Sentinel），在缓存失效时降级处理请求。	- 优点：保护数据库不被压垮。 - 缺点：可能影响用户体验。
集群高可用	部署 Redis 集群（如哨兵模式、Cluster 模式），确保缓存服务的高可用性。	- 优点：避免单点故障。 - 缺点：运维成本增加。

4. 综合方案与最佳实践

防御组合

• 穿透：布隆过滤器 + 缓存空值 + 参数校验。
• 击穿：互斥锁 + 逻辑过期 + 热点数据预热。
• 雪崩：随机过期时间 + 多级缓存 + 熔断降级。

代码示例一（Redis 实现互斥锁）

public String getData(String key) {
    String value = redis.get(key);
    if (value == null) {
        if (redis.setnx(key + ":lock", "1", 10)) { // 获取分布式锁
            try {
                value = db.query(key);           // 查询数据库
                redis.setex(key, 3600, value);    // 写入缓存
            } finally {
                redis.del(key + ":lock");         // 释放锁
            }
        } else {
            Thread.sleep(100);                   // 等待后重试
            return getData(key);
        }
    }
    return value;
}

代码示例二（Redisson 实现互斥锁）

public String getData(String key) {
    RLock lock = redissonClient.getLock(LOCK_KEY);
    lock.lock();
    try {
        ······
    } finally {
        if (lock.isLocked() && lock.isHeldByCurrentThread()) {
            lock.unlock();
        }
    }
    return value;
}