分布式-缓存击穿（布隆过滤器 Bloom Filter）

落日映苍穹つ 2022-01-07 04:17 202阅读 0赞

原文地址：[https://blog.csdn.net/fouy\_yun/article/details/81075432][https_blog.csdn.net_fouy_yun_article_details_81075432]

前面的文章介绍了缓存的分类和使用的场景。通常情况下，缓存是加速系统响应的一种途径，通常情况下只有系统的部分数据。当请求了缓存中没有的数据时，这时候就会回源到DB里面。此时如果黑客故意对上面数据发起大量请求，则DB有可能会挂掉，这就是缓存击穿。当然缓存挂掉的话，正常的用户请求也有可能造成缓存击穿的效果。  
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## 缓存中无值（未宕机） ##

### 互斥锁 ###

我们最先想到的应该是加锁获取缓存。也就是当获取的value值为空时（这里的空表示缓存过期），先加锁，然后从数据库加载并放入缓存，最后释放锁。如果其他线程获取锁失败，则睡眠一段时间后重试。下面使用Redis的setnx来实现分布式锁，如下所示：

1 String get(String key) {
     2     String value = redis.get(key);  
     3     if (value  == null) {  
     4         if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {  
     5             // 3 min timeout to avoid mutex holder crash  
     6             redis.expire(key_mutex, 3 * 60)  
     7             value = db.get(key);  
     8             redis.set(key, value);  
     9             redis.delete(key_mutex);  
    10         } else {  
    11             //其他线程休息50毫秒后重试  
    12             Thread.sleep(50);
    13             get(key);
    14         }
    15     }  
    16 }

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### 缓存永不过期 ###

缓存永不过期的意思是：真正的缓存过期时间不有Redis控制，而是由程序代码控制。当获取数据时发现数据超时时，就需要发起一个异步请求去加载数据。这种策略的有点就是不会产生死锁等现象，但是有可能会造成缓存不一致的现象，但是笔者看来一般情况下都是可以适用的。

1 String get(final String key) {
     2     V v = redis.get(key);
     3     String value = v.getValue();
     4     long timeout = v.getTimeout();
     5     if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
     6         // 异步更新后台异常执行
     7         threadPool.execute(new Runnable() {
     8             public void run() {
     9                 String keyMutex = "mutex:" + key;
    10                 if (redis.setnx(keyMutex, "1")) {
    11                     // 3 min timeout to avoid mutex holder crash
    12                     redis.expire(keyMutex, 3 * 60);
    13                     String dbValue = db.get(key);
    14                     redis.set(key, dbValue);
    15                     redis.delete(keyMutex);
    16                 }
    17             }
    18         });
    19     }
    20     return value;
    21 }

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### 缓存宕机 ###

上面说到的场景是缓存依旧有效的，当Redis挂掉时，这个时候如何来应对大量的回源请求呢？先来说一种简单的方式：白名单。

### 白名单 ###

白名单顾名思义就是：在缓存宕机之前的一段时间里，会将请求的数据在系统中的有无，记录在一个Map中。当缓存宕机后，首先在Map中判断是否含有数据，有则回源DB，没有的话就直接返回结果。

这种方式实现起来比较简单（Demo就不提供了），但是占用的内存空间比较庞大。如一个value是10字节，那么要存储大小为1亿的Map时，其所需的内存大小大约是：10 \* 2 \* 10e8 = 2G（假设Map的利用率为50%）。由此可见其对于一种类型的数据判断就需要一个 2G 的Map去操作，这种方式就不可行了。

## 布隆过滤器 ##

布隆过滤器（Bloom Filter）是1970年由布隆提出的。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数。布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，缺点是有一定的误识别率和删除困难。

如果想判断一个元素是不是在一个集合里，一般想到的是将集合中所有元素保存起来，然后通过比较确定。链表、树、散列表（又叫哈希表，Hash table）等等数据结构都是这种思路。但是随着集合中元素的增加，我们需要的存储空间越来越大。同时检索速度也越来越慢，上述三种结构的检索时间复杂度分别为：O(n), O(log n), O(n/k)。

布隆过滤器的原理是，当一个元素被加入集合时，通过K个Hash函数将这个元素映射成一个位数组中的K个点，把它们置为1。检索时，我们只要看看这些点是不是都是1就（大约）知道集合中有没有它了：如果这些点有任何一个0，则被检元素一定不在；如果都是1，则被检元素很可能在。这就是布隆过滤器的基本思想。

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### 代码实现 ###

在实际应用当中，我们不需要自己去实现BloomFilter。可以使用Guava提供的相关类库即可。

1 <dependency>
    2     <groupId>com.google.guava</groupId>
    3     <artifactId>guava</artifactId>
    4     <version>25.1-jre</version>
    5 </dependency>

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判断一个元素是否在集合中

1 public class Test1 {
     2 
     3     private static int size = 1000000;
     4 
     5     private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size);
     6 
     7     public static void main(String[] args) {
     8         for (int i = 0; i < size; i++) {
     9             bloomFilter.put(i);
    10         }
    11 
    12         long startTime = System.nanoTime(); // 获取开始时间
    13         //判断这一百万个数中是否包含29999这个数
    14         if (bloomFilter.mightContain(29999)) {
    15             System.out.println("命中了");
    16         }
    17         long endTime = System.nanoTime();   // 获取结束时间
    18         System.out.println("程序运行时间： " + (endTime - startTime) + "纳秒");
    19     }
    20 
    21 }

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运行结果如下：

1 命中了
    2 程序运行时间： 441616纳秒

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自定义错误率

1 public class Test3 {
     2 
     3     private static int size = 1000000;
     4 
     5     private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size, 0.01);
     6 
     7     public static void main(String[] args) {
     8         for (int i = 0; i < size; i++) {
     9             bloomFilter.put(i);
    10         }
    11         List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(1000);
    12         // 故意取10000个不在过滤器里的值，看看有多少个会被认为在过滤器里
    13         for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) {
    14             if (bloomFilter.mightContain(i)) {
    15                 list.add(i);
    16             }
    17         }
    18         System.out.println("误判的数量：" + list.size());
    19     }
    20 
    21 }

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运行结果如下：

1 误判的数量：94

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对于缓存宕机的场景，使用白名单或者布隆过滤器都有可能会造成一定程度的误判。原因是除了Bloom Filter 本身有误判率，宕机之前的缓存不一定能覆盖到所有DB中的数据，当宕机后用户请求了一个以前从未请求的数据，这个时候就会产生误判。当然，缓存宕机时使用白名单/布隆过滤器作为应急的方式，这种情况也是可以接受的。

转载于:https://www.cnblogs.com/juihai/p/10552057.html

[https_blog.csdn.net_fouy_yun_article_details_81075432]: https://blog.csdn.net/fouy_yun/article/details/81075432
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[Image 1]: 
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