缓存穿透的几种形式及解决方案

迷南。 2022-03-22 15:10 413阅读 0赞

## 缓存失效的几种形式 ##

### 1 缓存穿透 ###

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写的，并且出于容错考虑，如果从存储层查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。   
key不存在时，大量的数据进来查询DB

解决方案：有很多种方法可以有效地解决缓存穿透问题，最常见的则是采用[布隆过滤器][Link 1]，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个一定不存在的数据会被 这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。另外也有一个更为简单粗暴的方法（我们采用的就是这种），如果一个查询返回的数据为空（不管是数 据不存在，还是系统故障），我们仍然把这个空结果进行缓存，但它的过期时间会很短，最长不超过五分钟。

### 2 缓存雪崩 ###

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重雪崩。 这里key是多个。

解决方案：缓存失效时的雪崩效应对底层系统的冲击非常可怕。大多数系统设计者考虑用加锁或者队列的方式保证缓存的单线 程（进程）写，从而避免失效时大量的并发请求落到底层存储系统上。这里分享一个简单方案就时讲缓存失效时间分散开，比如我们可以在原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。   
关键字： 时间岔开，确保大家的key不会落在同一个expire点上。

### 3 缓存击穿 ###

对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题，这个和缓存雪崩的区别在于这里针对某一key缓存，前者则是很多key，这里是指同一个key。

## 解决方案： ##

导致问题的原因是同一时间查，同一时间写缓存，导致并发下缓存也没用，所以考虑使用单线程等方法将写缓存保证只有一个去查了写，其他的使用缓存。

业界比较常用的做法，是使用mutex。简单地来说，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去load db，而是先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一个mutex key，当操作返回成功时，再进行load db的操作并回设缓存；否则，就重试整个get缓存的方法。   
SETNX，是「SET if Not eXists」的缩写，也就是只有不存在的时候才设置，可以利用它来实现锁的效果。在redis2.6.1之前版本未实现setnx的过期时间，所以   
这里给出两种版本代码参考：

### 1.使用互斥锁(mutex key) ###

//2.6.1前单机版本锁  
    String get(String key) {    
       String value = redis.get(key);    
       if (value  == null) {    
        if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {    
            // 3 min timeout to avoid mutex holder crash    
            redis.expire(key_mutex, 3 * 60)    
            value = db.get(key);    
            redis.set(key, value);    
            redis.delete(key_mutex);    
        } else {    
            //其他线程休息50毫秒后重试    
            Thread.sleep(50);    
            get(key);    
        }    
      }    
    }  
    最新版本代码：
    [java] view plain copy
    public String get(key) {  
          String value = redis.get(key);  
          if (value == null) { //代表缓存值过期  
              //设置3min的超时，防止del操作失败的时候，下次缓存过期一直不能load db  
              if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) {  //代表设置成功  
                   value = db.get(key);  
                          redis.set(key, value, expire_secs);  
                          redis.del(key_mutex);  
                  } else {  //这个时候代表同时候的其他线程已经load db并回设到缓存了，这时候重试获取缓存值即可  
                          sleep(50);  
                          get(key);  //重试  
                  }  
              } else {  
                  return value;        
              }  
     }  
    memcache代码：
    [java] view plain copy
    if (memcache.get(key) == null) {    
        // 3 min timeout to avoid mutex holder crash    
        if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {    
            value = db.get(key);    
            memcache.set(key, value);    
            memcache.delete(key_mutex);    
        } else {    
            sleep(50);    
            retry();    
        }    
    }

### 2. “提前”使用互斥锁(mutex key)： ###

在value内部设置1个超时值(timeout1), timeout1比实际的memcache timeout(timeout2)小。当从cache读取到timeout1发现它已经过期时候，马上延长timeout1并重新设置到cache。然后再从数据库加载数据并设置到cache中。伪代码如下：

v = memcache.get(key);    
    if (v == null) {    
        if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {    
            value = db.get(key);    
            memcache.set(key, value);    
            memcache.delete(key_mutex);    
        } else {    
            sleep(50);    
            retry();    
        }    
    } else {    
        if (v.timeout <= now()) {    
            if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {    
                // extend the timeout for other threads    
                v.timeout += 3 * 60 * 1000;    
                memcache.set(key, v, KEY_TIMEOUT * 2);    
    
                // load the latest value from db    
                v = db.get(key);    
                v.timeout = KEY_TIMEOUT;    
                memcache.set(key, value, KEY_TIMEOUT * 2);    
                memcache.delete(key_mutex);    
            } else {    
                sleep(50);    
                retry();    
            }    
        }    
    }

### 3. “永远不过期”： \#\#\# ###

这里的“永远不过期”包含两层意思：   
(1) 从redis上看，确实没有设置过期时间，这就保证了，不会出现热点key过期问题，也就是“物理”不过期。   
(2) 从功能上看，如果不过期，那不就成静态的了吗？所以我们把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建，也就是“逻辑”过期

从实战看，这种方法对于性能非常友好，唯一不足的就是构建缓存时候，其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据，但是对于一般的互联网功能来说这个还是可以忍受。

String get(final String key) {    
            V v = redis.get(key);    
            String value = v.getValue();    
            long timeout = v.getTimeout();    
            if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {    
                // 异步更新后台异常执行    
                threadPool.execute(new Runnable() {    
                    public void run() {    
                        String keyMutex = "mutex:" + key;    
                        if (redis.setnx(keyMutex, "1")) {    
                            // 3 min timeout to avoid mutex holder crash    
                            redis.expire(keyMutex, 3 * 60);    
                            String dbValue = db.get(key);    
                            redis.set(key, dbValue);    
                            redis.delete(keyMutex);    
                        }    
                    }    
                });    
            }    
            return value;    
    }

### 4. 资源保护： ###

采用[netflix][]的hystrix，可以做资源的隔离保护主线程池，如果把这个应用到缓存的构建也未尝不可。   
四种解决方案：没有最佳只有最合适

[Link 1]: https://www.baidu.com/s?wd=%E5%B8%83%E9%9A%86%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
[netflix]: https://www.baidu.com/s?wd=netflix&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd