快捷導(dǎo)航

Redis與緩存解讀

更新時(shí)間：2025年01月10日 10:54:18 作者：knight-n

文章介紹了Redis作為緩存層的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),并分析了六種緩存更新策略,包括超時(shí)剔除、先刪緩存再更新數(shù)據(jù)庫(kù)、旁路緩存、先更新數(shù)據(jù)庫(kù)再刪緩存、先更新數(shù)據(jù)庫(kù)再更新緩存、讀寫穿透和異步緩存寫入模式,還討論了緩存常見(jiàn)問(wèn)題

緩存

在業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)中，必然會(huì)存在需要頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)即熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上，在頻繁訪問(wèn)下會(huì)進(jìn)行頻繁的IO操作，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)壓力過(guò)大，響應(yīng)速度變慢。

那么我們可以在添加一層中間緩存層，將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)我們不在直接查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，而是先訪問(wèn)緩存，如果數(shù)據(jù)存在（命中），直接返回即可。如果數(shù)據(jù)不存在（未命中），再訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

redis 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，因此可以提供接近于內(nèi)存的訪問(wèn)速度。所以 redis 天然適合作為緩存層。

緩存并不是萬(wàn)能的，實(shí)際上緩存更使用于讀密集場(chǎng)景，在寫密集場(chǎng)景中由于需要保證緩存于數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性，在修改緩存時(shí)還需要修改數(shù)據(jù)庫(kù)，反而加重了后端壓力。

緩存優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

降低后端負(fù)載
提高讀寫效率，降低響應(yīng)時(shí)間

缺點(diǎn)：

增加數(shù)據(jù)一致性成本
增加代碼維護(hù)成本

緩存更新策略

為了保證緩存數(shù)據(jù)有效，我們需要更新緩存。這里主要有六種緩存更新策略：

超時(shí)剔除

在 redis 中我們可以設(shè)置數(shù)據(jù)的生存時(shí)間（TTL），在超時(shí)后，redis會(huì)自動(dòng)刪除緩存，在下次查詢?cè)摂?shù)據(jù)時(shí)，由于緩存不存在，會(huì)重新寫入緩存，完成更新。

這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但一致性一般，在緩存未過(guò)期之前，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪查改都不會(huì)影響緩存，用戶查到的數(shù)據(jù)始終是舊數(shù)據(jù)。

先刪緩存再更新數(shù)據(jù)庫(kù)

在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新時(shí)，先刪除緩存，然后更新數(shù)據(jù)，在下次查詢?cè)摂?shù)據(jù)時(shí)，由于緩存不存在，會(huì)重新將新數(shù)據(jù)寫入緩存，完成更新。

這種方法也無(wú)法保證數(shù)據(jù)的一致性。假設(shè)有兩個(gè)線程，線程A 與線程B ，在線程 A 更新緩存時(shí)，線程 B 發(fā)起查詢，可能出現(xiàn)這種情況：

在這種情況下，一直到下次數(shù)據(jù)更新之前，緩存始終不一致，因此不推薦使用這種方法。

旁路緩存(先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，再刪緩存）

在更新數(shù)據(jù)時(shí)，先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，再刪除緩存，在下次查詢?cè)摂?shù)據(jù)時(shí)，由于緩存不存在，會(huì)重新將新數(shù)據(jù)寫入緩存，完成更新。

這種方法同樣無(wú)法完全保證數(shù)據(jù)的一致性，但他是最常用的更新策略。因?yàn)樗l(fā)生問(wèn)題的概況較小，假設(shè)有兩個(gè)線程，線程A 與線程B ，在線程 B 更新數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，線程 A 發(fā)起查詢，可能出現(xiàn)這種情況：

同樣這種情況會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題，但這種情況出現(xiàn)概率非常小，出現(xiàn)這種情況需要至少滿足四個(gè)條件：

讀操作所讀數(shù)據(jù)緩存失效
有個(gè)并發(fā)的寫操作
寫操作比讀操作更快
讀操作早于寫操作進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，晚于寫操作更新緩存

這樣的條件是十分苛刻的，即使發(fā)生也是小概率事件，即使出現(xiàn)也可以通過(guò)緩存生存時(shí)間兜底。

這種方法最大的問(wèn)題是刪除緩存后的并發(fā)問(wèn)題即緩存擊穿問(wèn)題，在緩存常見(jiàn)問(wèn)題我們會(huì)介紹。

先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，再更新緩存

在更新數(shù)據(jù)時(shí)，先更新數(shù)據(jù)庫(kù)，再更新緩存。

理論上這種方式比先更新數(shù)據(jù)庫(kù)再刪緩存有著更高的讀性能，因?yàn)樗孪葴?zhǔn)備好數(shù)據(jù)。但由于要更新數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存兩塊數(shù)據(jù)，所以它的寫性能就比較低，同時(shí)他也不能完全保證數(shù)據(jù)的一致性。

假設(shè)有兩個(gè)線程，線程A 與線程B ，在線程 A B 同時(shí)更新，可能出現(xiàn)這種情況：

讀寫穿透

客戶端只與緩存交互，緩存負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。

讀操作先查詢緩存，如果緩存未命中，則緩存從數(shù)據(jù)庫(kù)加載數(shù)據(jù)并寫入緩存。寫操作是直接寫緩存，然后緩存同步更新數(shù)據(jù)庫(kù)。這種模式下，緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性由緩存中間件維護(hù)。

異步緩存寫入模式

客戶端只與緩存交互，緩存異步地將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)最終一致性。

這種模式適用于寫操作頻繁的場(chǎng)景，但可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題。

緩存常見(jiàn)問(wèn)題

使用緩存比較常見(jiàn)的問(wèn)題有下面三種問(wèn)題：緩存擊穿，緩存雪崩，緩存穿透。

緩存穿透

在我們的業(yè)務(wù)邏輯中，如果客戶端訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不存在于緩存我們會(huì)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果數(shù)據(jù)庫(kù)存在數(shù)據(jù)就寫入緩存，如果不存在就返回，那么如果客戶端不懷好意，頻繁發(fā)起對(duì)不存在數(shù)據(jù)的請(qǐng)求會(huì)發(fā)生什么呢？大量請(qǐng)求會(huì)直接打入數(shù)據(jù)庫(kù)，增大后端壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的攻擊。

解決方案有很多種，最常見(jiàn)的有兩種方法：緩存空對(duì)象，布隆過(guò)濾器。

緩存空對(duì)象：當(dāng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在時(shí)，我們將這個(gè)“不存在”的結(jié)果緩存起來(lái)，設(shè)置一個(gè)較短的過(guò)期時(shí)間。這樣，相同的請(qǐng)求在緩存失效之前會(huì)直接命中緩存，減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力。

布隆過(guò)濾器：使用布隆過(guò)濾器存儲(chǔ)所有可能查詢的鍵，當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，先通過(guò)布隆過(guò)濾器判斷鍵是否存在。如果布隆過(guò)濾器認(rèn)為鍵不存在，則直接返回，不進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和緩存操作。

緩存雪崩

緩存雪崩是指在高并發(fā)系統(tǒng)中，大量的緩存數(shù)據(jù)在同一時(shí)間過(guò)期或被清除，導(dǎo)致大量請(qǐng)求同時(shí)涌向數(shù)據(jù)庫(kù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)造成巨大壓力，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)宕機(jī)。類似于“雪崩”。

常見(jiàn)的解決方法有以下幾種：

設(shè)置不同的過(guò)期時(shí)間：對(duì)于緩存中的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，設(shè)置不同的過(guò)期時(shí)間，這樣可以避免大量數(shù)據(jù)同時(shí)過(guò)期。例如，可以為每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的過(guò)期時(shí)間加上一個(gè)隨機(jī)值。

使用互斥鎖：當(dāng)緩存數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)，如果多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)到達(dá)，使用互斥鎖確保只有一個(gè)請(qǐng)求去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并更新緩存，其他請(qǐng)求等待或重試。

熱點(diǎn)數(shù)據(jù)永不過(guò)期：對(duì)于訪問(wèn)非常頻繁的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以考慮設(shè)置為永不過(guò)期，或者設(shè)置一個(gè)非常長(zhǎng)的過(guò)期時(shí)間。

緩存擊穿

在高并發(fā)的訪問(wèn)下，當(dāng)某個(gè)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存處于過(guò)期失效的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，極有可能出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)查詢?cè)摼彺?。而查詢?shù)據(jù)庫(kù)更新緩存又需要消耗一定時(shí)間，在同一時(shí)間會(huì)有大量并發(fā)請(qǐng)求直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的CPU或者內(nèi)存負(fù)載過(guò)高，服務(wù)能力下降甚至宕機(jī)。

那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？有三種解決方案。

加鎖：在緩存失效后，通過(guò)加鎖的方式只允許一個(gè)線程查詢數(shù)據(jù)和寫緩存，其他線程阻塞等待。這個(gè)方法會(huì)造成部分請(qǐng)求等待。
二級(jí)緩存：A1為原始緩存，A2為拷貝緩存。A1失效時(shí)，可以訪問(wèn)A2，其中A1的緩存失效時(shí)間設(shè)置為短期（比如5min），A2的緩存失效時(shí)間設(shè)置為長(zhǎng)期（比如1天）。如果緩存value很大，此方案的緩存空間利用率低。
雙key：思路和方案2類似，不同的是雙key分別緩存過(guò)期時(shí)間（key-time)和緩存數(shù)據(jù)（key-data），其中(key-time)的緩存失效時(shí)間設(shè)置為短期（比如5min），(key-data)的緩存失效時(shí)間設(shè)置為長(zhǎng)期（比如1天）。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程發(fā)現(xiàn) key-time 過(guò)期不存在時(shí)，則先更新key-time，然后去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并更新key-data 的值；當(dāng)其他線程來(lái)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，雖然第一個(gè)線程還沒(méi)有從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢完畢并更新緩存，但發(fā)現(xiàn)key-time存在，會(huì)直接讀取緩存的舊數(shù)據(jù)返回。和二級(jí)緩存的方案對(duì)比，該方案的緩存空間利用率高。