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Redis作為緩存應(yīng)用的情形詳細分析

更新時間：2023年01月18日 15:17:21 作者：氵奄不死的魚

實際開發(fā)中緩存處理是必須的，不可能我們每次客戶端去請求一次服務(wù)器，服務(wù)器每次都要去數(shù)據(jù)庫中進行查找，為什么要使用緩存？說到底是為了提高系統(tǒng)的運行速度

為什么使用緩存

Redis是一個內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫，也就是說，所有的數(shù)據(jù)都會存在與內(nèi)存中，基于Redis的高性能特性，我們將Redis用在緩存場景非常廣泛。使用起來方便，響應(yīng)也是遠超關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用場景

Redis的應(yīng)用場景非常廣泛。雖然Redis是一個key-value的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，但在實際場景中，Redis經(jīng)常被作為緩存來使用，如面對數(shù)據(jù)高并發(fā)的讀寫、海量數(shù)據(jù)的讀寫等。

舉個例子，A網(wǎng)站首頁一天有100萬人訪問，其中有一個“積分商城”的板塊，要直接從數(shù)據(jù)庫查詢，那么一天就要多消耗100萬次數(shù)據(jù)庫請求。如果將這些數(shù)據(jù)儲存到Redis（內(nèi)存）中，要用的時候，直接從內(nèi)存調(diào)取，不僅可以大大節(jié)省系統(tǒng)直接讀取磁盤來獲得數(shù)據(jù)的IO開銷，提高服務(wù)器的資源利用率，還能極大地提升速度。

比如很多大型電商網(wǎng)站、視頻網(wǎng)站和游戲應(yīng)用等，存在大規(guī)模數(shù)據(jù)訪問，對數(shù)據(jù)查詢效率要求高。Redis服務(wù)可實現(xiàn)頁面緩存、應(yīng)用緩存、狀態(tài)緩存、事件并行處理，能夠有效減少數(shù)據(jù)庫磁盤IO，提高數(shù)據(jù)查詢效率，減輕管理維護工作量，降低數(shù)據(jù)庫存儲成本。對傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫是一個重要的補充，成為了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，尤其是支持高并發(fā)訪問的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ)服務(wù)之一。

具體而言，分布式緩存Redis可用于以下場景：

1、頁面緩存

Redis可將Web頁面的內(nèi)容片段，包括HTML，CSS和圖片等靜態(tài)數(shù)據(jù)，緩存到Redis實例，提高網(wǎng)站的訪問性能。

比如在電商類應(yīng)用中，熱銷商品展示、秒殺推薦等數(shù)據(jù)面臨高并發(fā)讀的壓力，分布式緩存Redis的高并發(fā)及靈活擴展，可輕松支持此類應(yīng)用。

2、狀態(tài)緩存

Redis可將Session會話狀態(tài)及應(yīng)用橫向擴展時的狀態(tài)數(shù)據(jù)等緩存到DCS實例，實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)共享。在應(yīng)對游戲應(yīng)用中爆發(fā)式增長的玩家數(shù)據(jù)存儲和讀寫請求時，使用分布式緩存Redis可通過將熱點數(shù)據(jù)放入緩存，加快用戶端訪問速度，提升用戶體驗。

3、應(yīng)用對象緩存

Redis可作為服務(wù)層的二級緩存對外提供服務(wù)，減輕數(shù)據(jù)庫的負載壓力，加速應(yīng)用訪問。

4、事件緩存

Redis可提供針對事件流的連續(xù)查詢（continuous query）處理技術(shù)，滿足實時性需求。

使用緩存的收益和成本

如圖左側(cè)為客戶端直接調(diào)用存儲層的架構(gòu)，右側(cè)為比較典型的緩存層+存儲層架構(gòu)，下面分析一下緩存加入后帶來的收益和成本。

收益：

l 加速讀寫：因為緩存通常都是全內(nèi)存的，而存儲層通常讀寫性能不夠強悍（例如MySQL），通過緩存的使用可以有效地加速讀寫，優(yōu)化用戶體驗。

l 降低后端負載：幫助后端減少訪問量和復雜計算（例如很復雜的SQL語句），在很大程度降低了后端的負載。

成本：

l 數(shù)據(jù)不一致性：緩存層和存儲層的數(shù)據(jù)存在著一定時間窗口的不一致性，時間窗口跟更新策略有關(guān)。

l 代碼維護成本：加入緩存后，需要同時處理緩存層和存儲層的邏輯，增大了開發(fā)者維護代碼的成本。

l 運維成本：以Redis Cluster為例，加入后無形中增加了運維成本。

緩存不一致

一致性

1、強一致性

如果你的項目對緩存的要求是強一致性的，那么請不要使用緩存。這種一致性級別是最符合用戶直覺的，它要求系統(tǒng)寫入什么，讀出來的也會是什么，用戶體驗好，但實現(xiàn)起來往往對系統(tǒng)的性能影響大。

2、弱一致性

這種一致性級別約束了系統(tǒng)在寫入成功后，不承諾立即可以讀到寫入的值，也不承諾多久之后數(shù)據(jù)能夠達到一致，但會盡可能地保證到某個時間級別（比如秒級別）后，數(shù)據(jù)能夠達到一致狀態(tài)

3**、最終一致性**

最終一致性是弱一致性的一個特例，系統(tǒng)會保證在一定時間內(nèi)，能夠達到一個數(shù)據(jù)一致的狀態(tài)。這里之所以將最終一致性單獨提出來，是因為它是弱一致性中非常推崇的一種一致性模型，也是業(yè)界在大型分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性上比較推崇的模型。一般情況下，高可用只確保最終一致性，不確保強一致性。

強一致性，讀請求和寫請求會串行化，串到一個內(nèi)存隊列里去，這樣會大大增加系統(tǒng)的處理效率，吞吐量也會大大降低。

業(yè)務(wù)場景

在絕大多數(shù)的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫往往是用戶并發(fā)訪問最薄弱的地方，并且在高并發(fā)下的讀多寫少的情況下，我們往往會借助一些中間鍵，來解決數(shù)據(jù)訪問過大時造成的數(shù)據(jù)庫宕機情況，例如我們可以使用Redis來作為緩存，讓請求先訪問到Redis，而不是直接訪問數(shù)據(jù)庫。而在這種業(yè)務(wù)場景下，可能會出現(xiàn)緩存和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不一致性的問題。

問題產(chǎn)生的原因

一般來說讀取緩存步驟是不會有什么問題的，但是一旦涉及到數(shù)據(jù)更新，也就是數(shù)據(jù)庫和緩存都操作，就容易出現(xiàn)緩存(Redis)和數(shù)據(jù)庫(MySQL)間的數(shù)據(jù)一致性問題。

在數(shù)據(jù)更新時，我們需要做以下兩步：

操作MySQL
操作緩存

但是無論是先執(zhí)行步驟1還是先執(zhí)行步驟2，都有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況，主要是因為讀寫是并發(fā)的，我們無法保證他們的先后順序。

相關(guān)策略

先做一個說明，從理論上來說，給緩存設(shè)置過期時間，是保證最終一致性的解決方案(如果要求強一致性的話，我認為沒有必要添加緩存了，直接走數(shù)據(jù)庫)。這種前提下，我們可以對存入緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置過期時間，所有的寫操作以數(shù)據(jù)庫為準，對緩存操作只是盡最大努力即可。也就是說如果數(shù)據(jù)庫寫成功，緩存更新失敗，那么只要到達過期時間，則后面的讀請求自然會從數(shù)據(jù)庫中讀取新值然后回填緩存。因此，接下來討論的思路不依賴于給緩存設(shè)置過期時間這個方案。

給出了三種更新策略：

先更新數(shù)據(jù)庫，再更新緩存
先刪除緩存，再更新數(shù)據(jù)庫
先更新數(shù)據(jù)庫，在刪除緩存

先更新數(shù)據(jù)庫值再更新緩存值

最不可能選擇的策略，原因是此種策略可能會在線程安全的角度和業(yè)務(wù)場景角度生成臟數(shù)據(jù)和性能問題。

原因一：線程安全的角度

同時有請求A和請求B進行更新操作，那么就會出現(xiàn)

請求A更新數(shù)據(jù)庫
請求B更新數(shù)據(jù)庫
請求B更新緩存
請求A更新緩存

這就出現(xiàn)請求A更新緩存應(yīng)該比請求B更新緩存早才對，但是因為網(wǎng)絡(luò)等原因，B比A更早更新了緩存。這就導致了臟數(shù)據(jù)，因此不考慮。

業(yè)務(wù)場景角度

（1）如果是寫數(shù)據(jù)庫場景比較多，而讀數(shù)據(jù)場景比較少的業(yè)務(wù)需求，那么采用這種方案就會導致，數(shù)據(jù)壓根還沒讀到，緩存就被頻繁的更新，浪費性能，緩存此類數(shù)據(jù)，沒有很大的意義。

（2）如果是寫入數(shù)據(jù)庫的值，并不是直接寫入緩存的，而是要經(jīng)過一系列復雜的計算再寫入緩存。那么，每次寫入數(shù)據(jù)庫后，都再次計算寫入緩存的值，無疑是浪費性能的。顯然，刪除緩存更為適合。

后面兩種策略都是對緩存進行刪除，這里先做一個解釋。

例子：數(shù)據(jù)庫在1小時內(nèi)更新1000次那么緩存也更新1000次，但是這個緩存可能在1小時內(nèi)只被讀了1次，那么就沒有必要更新1000次了。反過來，如果是刪除的話，那么也只是做了1次刪除操作，當緩存真正被讀取的時候才去更新。

刪除緩存值再更新數(shù)據(jù)庫值

請求A進行更新操作，首先刪除緩存
請求B查詢發(fā)現(xiàn)緩存不存在
請求B去數(shù)據(jù)庫查詢得到舊值
請求B將舊值寫入緩存
請求A將新值寫入數(shù)據(jù)庫

上述情況就會導致不一致的情形出現(xiàn)。而且，如果不采用給緩存設(shè)置過期時間策略，該數(shù)據(jù)永遠都是臟數(shù)據(jù)。我們可以采用延遲雙刪策略，來解決這個問題。

相對應(yīng)的步驟：

先淘汰緩存
再寫數(shù)據(jù)庫
休眠t秒，再次淘汰緩存

這么做的目的，就是確保讀請求結(jié)束，寫請求可以刪除讀請求造成的緩存臟數(shù)據(jù)。

// 偽代碼
public void updateDb(String key,Object data) {
    redis.delKey(key);
    db.updateData(data);    
    Thread.sleep(t);
    redis.delKey(key);
}

如果系統(tǒng)中MySQL使用了讀寫分離模式，那么有可能會出現(xiàn)在主從同步?jīng)]有完成時，讀請求就去讀取數(shù)據(jù)了，這時候就會讀取到舊值，這里我們可以延長睡眠時間，讓主從同步完成后在進行一次刪除（如果不考慮主從的情況下，采用雙刪不用加延時時間也是可以保證一直性的）。

先更新數(shù)據(jù)庫值在刪除緩存值

假設(shè)有兩個請求，請求A進行更新操作，請求B進行查詢操作。

那么會出現(xiàn)如下情形：

請求A進行更新操作，首先更新數(shù)據(jù)庫
請求B進行查詢操作，擊中緩存，得到舊值
請求A進行刪除緩存操作

在這種情況下如果其他線程并發(fā)讀緩存的請求不多，那么，就不會有很多請求讀取到舊值。而且，請求 A 一般也會很快刪除緩存值，這樣一來，其他線程再次讀取時，就會發(fā)生緩存缺失，進而從數(shù)據(jù)庫中讀取最新值。所以，這種情況對業(yè)務(wù)的影響較小。

無論是策略2還是策略3都有可能會出現(xiàn)這種情況：刪除緩存失敗，這時我們可以采用重試機制來保證數(shù)據(jù)的一致性。

方案的詳細設(shè)計

在相關(guān)策略的調(diào)用中，雖然提出了一些簡單解決方案，但是沒有考慮到列如緩存刪除失敗，數(shù)據(jù)庫更新失敗等情況，因此需要增加重試策略，但是還是可能會出現(xiàn)比較不一致的問題，此處詳細介紹幾種方案。

流程如下：

更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)；
緩存因為種種問題刪除失敗
將需要刪除的key發(fā)送至消息隊列
自己消費消息，獲得需要刪除的key
繼續(xù)重試刪除操作，直到成功

如果能夠成功地刪除或更新，我們就要把這些值從消息隊列中去除，以免重復操作，此時，我們也可以保證數(shù)據(jù)庫和緩存的數(shù)據(jù)一致了。否則的話，我們還需要再次進行重試。如果重試超過的一定次數(shù)，還是沒有成功，我們就需要向業(yè)務(wù)層發(fā)送報錯信息了。

// 偽代碼
public void updateDb(String key,Object data){
    db.updateData(data);
    if (!redis.delKey(key)) {
        mq.send(key);
        new Thread(() -> asyncDel()).start();
    }    
}
// 異步重試
private void asyncDel() {
    int count = 0;
    String key = mq.get();
    while(!redis.delKey(key)) {
        count++;
        if (count > 5) {
            throw new DelFailException();        
        }
    }
    mq.remove(key);
}

這種雖然可以解決，但是會對業(yè)務(wù)代碼造成侵入，而且還需要去維護消息隊列，如果可以容忍的話，我覺得是可選的方案之一。

注意需要使用有序的消息隊列，保證消息的有序性。重試刪除

訂閱binlog

業(yè)務(wù)代碼只會操作數(shù)據(jù)庫，不操作緩存。同時啟動一個訂閱binlog的程序去監(jiān)聽刪除操作，然后投遞到消息隊列中。再啟動一個消費者，根據(jù)消息去刪除緩存。

canal是用來模擬MySQL slave，來訂閱MySQL master 的binlog。

異步重試

總結(jié)

對于讀多寫少的數(shù)據(jù)，請使用緩存。

為了保持數(shù)據(jù)庫和緩存的一致性，會導致系統(tǒng)吞吐量的下降。

為了保持數(shù)據(jù)庫和緩存的一致性，會導致業(yè)務(wù)代碼邏輯復雜。

緩存做不到絕對一致性，但可以做到最終一致性。

對于需要保證緩存數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)一致的情況，請盡量考慮對一致性到底有多高要求，選定合適的方案，避免過度設(shè)計。

緩存問題

緩存穿透

問題描述

緩存穿透是指查詢一個根本不存在的數(shù)據(jù)，緩存層和存儲層都不會命中，通常出于容錯的考慮，如果從存儲層查不到數(shù)據(jù)則不寫入緩存層，如下圖所示

整個過程分為如下3步：

緩存層不命中。存儲層不命中，不將空結(jié)果寫回緩存。返回空結(jié)果。

緩存穿透將導致不存在的數(shù)據(jù)每次請求都要到存儲層去查詢，失去了緩存保護后端存儲的意義。

緩存穿透問題可能會使后端存儲負載加大，由于很多后端存儲不具備高并發(fā)性，甚至可能造成后端存儲宕掉。通?？梢栽诔绦蛑蟹謩e統(tǒng)計總調(diào)用數(shù)、緩存層命中數(shù)、存儲層命中數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)大量存儲層空命中，可能就是出現(xiàn)了緩存穿透問題。

解決方案

造成緩存穿透的基本原因有兩個。第一，自身業(yè)務(wù)代碼或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，第二，一些惡意攻擊、爬蟲等造成大量空命中。下面我們來看一下如何解決緩存穿透問題。

緩存空對象

如圖所示，當?shù)?步存儲層不命中后，仍然將空對象保留到緩存層中，之后再訪問這個數(shù)據(jù)將會從緩存中獲取，這樣就保護了后端數(shù)據(jù)源。

緩存空對象會有兩個問題：第一，空值做了緩存，意味著緩存層中存了更多的鍵，需要更多的內(nèi)存空間，比較有效的方法是針對這類數(shù)據(jù)設(shè)置一個較短的過期時間，讓其自動剔除。第二，緩存層和存儲層的數(shù)據(jù)會有一段時間窗口的不一致，可能會對業(yè)務(wù)有一定影響。例如過期時間設(shè)置為5分鐘，如果此時存儲層添加了這個數(shù)據(jù)，那此段時間就會出現(xiàn)緩存層和存儲層數(shù)據(jù)的不一致，此時可以利用消息系統(tǒng)或者其他方式清除掉緩存層中的空對象。

布隆過濾器攔截

布隆過濾器：實際上是一個很長的二進制向量和一系列隨機映射函數(shù)。布隆過濾器可以用于檢索一個元素是否在一個集合中。它的優(yōu)點是空間效率和查詢時間都比一般的算法要好的多，缺點是有一定的誤識別率和刪除困難?？梢愿嬖V你某樣東西一定不存在或者可能存在。

如圖所示，在訪問緩存層和存儲層之前，將存在的key用布隆過濾器提前保存起來，做第一層攔截。例如：一個推薦系統(tǒng)有4億個用戶id，每個小時算法工程師會根據(jù)每個用戶之前歷史行為計算出推薦數(shù)據(jù)放到存儲層中，但是最新的用戶由于沒有歷史行為，就會發(fā)生緩存穿透的行為，為此可以將所有推薦數(shù)據(jù)的用戶做成布隆過濾器。如果布隆過濾器認為該用戶id不存在，那么就不會訪問存儲層，在一定程度保護了存儲層。

兩種方案比對

緩存雪崩

如圖描述了什么是緩存雪崩：由于緩存層承載著大量請求，有效地保護了存儲層，但是如果緩存層由于某些原因不能提供服務(wù)，于是所有的請求都會達到存儲層，存儲層的調(diào)用量會暴增，造成存儲層也會級聯(lián)宕機的情況。

預防和解決緩存雪崩問題，可以從以下三個方面進行著手。

(1) 保證緩存層服務(wù)高可用性。如果緩存層設(shè)計成高可用的，即使個別節(jié)點、個別機器、甚至是機房宕掉，依然可以提供服務(wù)，例如前面介紹過的Redis Sentinel和Redis Cluster都實現(xiàn)了高可用。

(2) 依賴隔離組件為后端限流并降級。無論是緩存層還是存儲層都會有出錯的概率，可以將它們視同為資源。作為并發(fā)量較大的系統(tǒng)，假如有一個資源不可用，可能會造成線程全部阻塞在這個資源上，造成整個系統(tǒng)不可用。降級機制在高并發(fā)系統(tǒng)中是非常普遍的。實際項目中，我們需要對重要的資源（例如Redis、MySQL、HBase、外部接口）都進行隔離，讓每種資源都單獨運行在自己的線程池中，即使個別資源出現(xiàn)了問題，對其他服務(wù)沒有影響。但是線程池如何管理，比如如何關(guān)閉資源池、開啟資源池、資源池閥值管理，這些做起來還是相當復雜的。這里推薦使用Java依賴隔離工具Hystrix，他是解決依賴隔離的利器。

(3) 提前演練。在項目上線前，演練緩存層宕掉后，應(yīng)用以及后端的負載情況以及可能出現(xiàn)的問題，在此基礎(chǔ)上做一些預案設(shè)定。