Redis缓存实现及其常见问题解决方案

男娘i 2023-10-16 00:23 63阅读 0赞

> 随着互联网技术的发展，数据处理的速度和效率成为了衡量一个系统性能的重要指标。在众多的数据处理技术中，缓存技术以其出色的性能优化效果，成为了不可或缺的一环。而在众多的缓存技术中，Redis 以其出色的性能和丰富的功能，赢得了广大开发者的喜爱。
> 
> Redis 是一个开源的，内存中的数据结构存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息中间件。Redis 支持多种类型的数据结构，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等。此外，Redis 还提供了一系列的特性，如数据持久化、事务和发布订阅等。
> 
> 然而，如何利用 Redis 实现高效的缓存机制呢？这就是我们今天要探讨的主题。在这篇文章中，我们将详细介绍 Redis 的缓存实现，包括其读写策略、过期策略和淘汰策略等。我们希望通过这篇文章，帮助读者更好地理解和使用 Redis，从而提高自己的系统性能。

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### 文章目录 ###

*   *   *   *  1、Redis缓存实现与缓存策略
             *   *  1.1、Redis缓存应用
                 *  1.2、Redis缓存策略分类
                 *  1.3、Redis常见读策略
                 *  1.4、Redis常见写策略
                 *  1.5、Redis常见过期策略
                 *  1.6、Redis淘汰策略
             *  2、Redis缓存常见问题及解决方案
             *   *  2.1、Redis热键问题
                 *  2.2、Redis缓存穿透
                 *  2.3、Redis缓存击穿
                 *  2.4、Redis缓存雪崩
             *  3、Java下Redis缓存实现
             *   *  3.1、Jedis实现
                 *  3.2、SpringBoot实现

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#### 1、Redis缓存实现与缓存策略 ####

##### 1.1、Redis缓存应用 #####

Redis 缓存是 Redis 的一种主要应用场景。通过将热点数据存储在内存中，可以大大提高应用的读取速度，从而提高应用的性能。

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在使用 Redis 作为缓存时，通常会设置一个过期时间，当数据过期后，Redis 会自动删除这些数据，以释放内存空间。同时，为了防止缓存雪崩，通常会对过期时间进行随机化处理。

此外，Redis 还提供了丰富的数据结构，如字符串、列表、集合、哈希表等，可以满足各种复杂的缓存需求。例如，可以使用哈希表存储对象，使用列表实现最近最少使用（LRU）算法等。

##### 1.2、Redis缓存策略分类 #####

缓存策略是指在使用缓存时，如何选择和管理缓存中的数据的一系列规则和方法。缓存策略的目标是尽可能地提高数据访问的速度，减少对原始数据源（如数据库）的访问，从而提高系统的性能。

缓存策略主要包括以下几个方面：读策略、写策略、加载策略、过期策略、淘汰策略。

##### 1.3、Redis常见读策略 #####

Redis常见读策略：

1.  Read Through（读策略-按需加载）：在读取数据时，如果发现缓存中没有，那么会从数据库中读取，读取后将数据放入缓存。这种策略可以保证缓存中的数据都是热点数据，但可能会导致第一次读取数据时延迟增加；
2.  Lazy Loading（读策略-按需加载）：只有当数据被请求时，才将其加载到缓存中。如果数据在缓存中未命中，则从数据库中读取并添加到缓存中；
3.  Pre Loading（读策略-预加载）：系统在启动或者在某个特定的时间点，会预先将可能需要的数据加载到缓存中。这样，当数据被请求时，可以直接从缓存中获取，无需再去数据库中查询，从而提高了数据访问的速度。预加载策略特别适用于那些数据访问模式比较固定，且数据更新频率不高的场景。例如，一些配置信息、静态内容等，就非常适合使用预加载策略。

在实际使用中，可以根据具体的应用场景和需求，选择合适的读策略。例如，如果数据更新频率较低，且读取操作的性能要求较高，可以选择使用 Read Through 策略；如果数据更新频率较高，或者希望节省缓存空间，可以选择使用 Lazy Loading 策略。

##### 1.4、Redis常见写策略 #####

Redis常见写策略：

1.  Write Through（写策略-同步更新）：每次数据更新时，都会同时更新数据库和缓存。这种策略的优点是能够保持数据的一致性，但缺点是会影响性能，因为每次更新都需要同时操作数据库和缓存。
2.  Write Back（写策略-异步更新）：每次数据更新时，先更新缓存，然后再异步更新数据库。这种策略的优点是不会影响缓存的高性能，能够快速响应客户端，但缺点是在数据异步写回到数据库之前，存在缓存和数据库数据短暂不一致的情况。
3.  Write Around（写策略-直接更新）：在更新数据时，直接更新数据库，不更新缓存。当下次读取数据时，如果缓存中没有，再从数据库中读取。这种策略适用于那些被写入后很少被读取的数据。

##### 1.5、Redis常见过期策略 #####

Redis 的过期策略主要是通过设置 TTL（Time To Live）来实现的。对于每个设置了过期时间的键，Redis 会在键到达其过期时间时自动删除它。Redis 使用了惰性删除和定期删除两种策略来处理过期的键：

1.  惰性删除：即只有当某个键被访问时，Redis 才会检查该键是否过期，如果过期则删除。这种策略的优点是可以减少对 CPU 的占用，避免在键过期的瞬间产生大量的删除操作，影响 Redis 的性能；

![image-20230913200158436][]

1.  定期删除：即 Redis 会每隔一段时间随机检查一些键，如果发现有键已经过期，就会将其删除。这种策略可以有效地清理过期的键，释放内存空间。
    
    但是，由于 Redis 不能对所有键进行轮询，所以可能会有一些已经过期的键没有被立即删除。这就是为什么 Redis 还需要使用惰性删除策略，即只有当某个键被访问时，Redis 才会检查该键是否过期，如果过期则删除。

这两种策略的结合使用，可以在保证 Redis 性能的同时，有效地管理过期的键，避免过期的键长时间占用内存。

##### 1.6、Redis淘汰策略 #####

那么定期+惰性都没有删除过期的 Key 怎么办？这时就需要 Redis 的内存淘汰策略登场了

当 Redis 的内存使用达到设定的上限时，如果还需要存储新的数据，就需要采用一种淘汰策略来删除一些旧的数据，以释放内存空间。这就是所谓的内存淘汰机制。

Redis 提供了多种淘汰策略，可以通过 `maxmemory-policy` 配置项来设置，包括：

1.  noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错；
2.  allkeys-lru：从数据集中挑选最近最少使用的数据淘汰；
3.  volatile-lru：从设置了过期时间的数据集中挑选最近最少使用的数据淘汰；

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1.  allkeys-random：随机移除某个键；
2.  volatile-random：从设置了过期时间的数据集中任意选择数据淘汰；
3.  volatile-ttl：从设置了过期时间的数据集中挑选将要过期的数据淘汰。

以上策略可以根据实际应用的需求和场景进行选择。

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#### 2、Redis缓存常见问题及解决方案 ####

##### 2.1、Redis热键问题 #####

所谓热键问题就是，某个或某些键被大量并发的请求访问，可能会导致流量过于集中，达到物理网卡上限，从而导致这台 Redis 的服务器宕机引发雪崩。

针对热键问题的解决方案：

1.  提前把热键打散到不同的服务器：这种方法也被称为分片，可以将热键的数据分散到多个 Redis 服务器中，降低单个服务器的访问压力；
2.  二级缓存：在应用服务器内部维护一个本地缓存，当 Redis 宕机时，可以从本地缓存中获取数据。这种方法可以提高系统的可用性，但需要注意的是，本地缓存和 Redis 之间可能会存在数据一致性的问题

另外，还可以考虑使用一些流量控制的手段，比如限流、熔断等，来防止大量的请求同时访问热键，从而避免服务器宕机的问题。

##### 2.2、Redis缓存穿透 #####

缓存穿透是指查询一个在缓存和数据库中都不存在的数据，每次请求都会打到数据库，造成数据库压力过大。

有效的解决方案是：

1.  接口校验：对请求的参数进行校验，非法的请求直接返回错误，不让其打到数据库。
2.  缓存空值：即使数据库中没有查询到数据，也将空值写入缓存，这样下次查询同样的数据时，直接从缓存中获取空值，不需要再访问数据库。
3.  布隆过滤器：布隆过滤器是一种概率型数据结构，可以用来判断一个元素是否在一个集合中。我们可以将所有可能存在的数据的 Key 存入布隆过滤器，当查询数据时，先判断 Key 是否在布隆过滤器中，如果不在，直接返回不存在，如果在，再去缓存和数据库中查询。

布隆过滤器（Bloom Filter）的主要特点如下：

1.  判断不存在：如果布隆过滤器判断一个元素不存在，则这个元素一定不存在。
2.  判断存在：如果布隆过滤器判断一个元素存在，这个元素可能存在也可能不存在，存在一定的误判率。这个误判率是可以通过调整布隆过滤器的参数来控制的。

布隆过滤器由一个位数组（BitSet）和一组哈希函数组成，是一种空间效率极高的概率型算法和数据结构，主要用来判断一个元素是否在集合中存在。

相比于HashMap，布隆过滤器在处理大数据量时有明显的优势。当数据量较小，HashMap可以很好地处理问题，而且不存在误判率。但是，当数据量变大，尤其是要存储的键（Key）占用空间越大，布隆过滤器的空间优势就会开始体

这些方法可以有效地防止缓存穿透问题，保护数据库不被大量无效请求打垮。

##### 2.3、Redis缓存击穿 #####

缓存击穿是指一个热点数据在缓存中过期的瞬间，大量的请求直接打到数据库，可能会导致数据库压力骤增，甚至崩溃。

有效的解决方案是：

1.  加互斥锁：在第一个请求查询数据库并更新缓存的过程中，其他的请求等待。这样可以保证只有一个请求会访问数据库，避免数据库压力过大。
2.  热点数据不过期：将热点数据设置为永不过期，然后通过定时任务异步更新这些数据。这种方法可以避免热点数据突然过期导致的缓存击穿问题，但需要注意的是，这可能会导致数据在一段时间内不一致，需要根据业务需求来决定是否可以接受。

这些方法可以有效地防止缓存击穿问题，保护数据库不被大量请求打垮。

##### 2.4、Redis缓存雪崩 #####

缓存雪崩是指大量的热点数据在同一时间点过期，导致大量的请求直接打到数据库，可能会导致数据库压力骤增，甚至崩溃。

有效的解决方案是：

1.  过期时间打散：给每个键的过期时间添加一个随机值，使得各个键的过期时间分散开来，避免在同一时间点大量键过期。
2.  加互斥锁：对于同一个键，只允许一个请求查询数据库并更新缓存，其他的请求等待。这样可以保证只有一个请求会访问数据库，避免数据库压力过大。
3.  热点数据不过期：将热点数据设置为永不过期，然后通过定时任务异步更新这些数据。这种方法可以避免热点数据突然过期导致的缓存雪崩问题，但需要注意的是，这可能会导致数据在一段时间内不一致，需要根据业务需求来决定是否可以接受。

这些方法可以有效地防止缓存雪崩问题，保护数据库不被大量请求打垮。

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#### 3、Java下Redis缓存实现 ####

##### 3.1、Jedis实现 #####

以下是使用 Java 实现 Read Through 和 Write Through 策略的简单例子：

import redis.clients.jedis.Jedis;
    
    public class Cache {
        
        private Jedis jedis;
        private Database db;
    
        public Cache() {
        
            this.jedis = new Jedis("localhost", 6379);
            this.db = new Database();
        }
    
        // Read Through策略
        public String readThrough(String key) {
        
            // 先从缓存中读取数据
            String value = jedis.get(key);
            if (value == null) {
        
                // 如果缓存中没有，那么从数据库中读取
                value = db.getFromDatabase(key);
                // 将从数据库中读取的数据放入缓存
                jedis.set(key, value);
            }
            return value;
        }
    
        // Write Through策略
        public void writeThrough(String key, String value) {
        
            // 先将数据写入数据库
            db.writeToDatabase(key, value);
            // 然后将数据写入缓存
            jedis.set(key, value);
        }
    }
    
    class Database {
        
        // 这里假设我们有一个数据库，具体实现省略
        public String getFromDatabase(String key) {
        
            // 从数据库中获取数据的代码
            return "data";
        }
    
        public void writeToDatabase(String key, String value) {
        
            // 将数据写入数据库的代码
        }
    }

在这个例子中，我们首先创建了一个`Cache`类，该类在构造函数中连接到 Redis 服务器，并初始化一个数据库对象。

然后，我们定义了两个方法：`readThrough` 和 `writeThrough`，分别实现了 Read Through 和 Write Through 策略。

*  `readThrough`方法首先尝试从缓存中读取数据，如果缓存中没有，那么从数据库中读取，并将从数据库中读取的数据放入缓存。
 *  `writeThrough`方法首先将数据写入数据库，然后将数据写入缓存。

`Database`类是一个假设的数据库类，具体实现省略。

##### 3.2、SpringBoot实现 #####

在 Spring Boot 中，我们也可以使用`springframework.data.redis` 来实现 Read Through 和 Write Through 策略。以下是一个简单的例子：

import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
    import org.springframework.stereotype.Service;
    
    @Service
    public class DataService {
        
    
        private final StringRedisTemplate redisTemplate;
    
        public DataService(StringRedisTemplate redisTemplate) {
        
            this.redisTemplate = redisTemplate;
        }
    
        public String readThrough(String key) {
        
            // 先从缓存中读取数据
            String value = redisTemplate.opsForValue().get(key);
            if (value == null) {
        
                // 如果缓存中没有，那么从数据库中读取
                value = getFromDatabase(key);
                // 将从数据库中读取的数据放入缓存
                redisTemplate.opsForValue().set(key, value);
            }
            return value;
        }
    
        public void writeThrough(String key, String value) {
        
            // 先将数据写入数据库
            writeToDatabase(key, value);
            // 然后将数据写入缓存
            redisTemplate.opsForValue().set(key, value);
        }
    
        private String getFromDatabase(String key) {
        
            // 从数据库中获取数据的代码
            return "data";
        }
    
        private void writeToDatabase(String key, String value) {
        
            // 将数据写入数据库的代码
        }
    }

在这个例子中，我们首先创建了一个 `DataService` 类，该类被 Spring 管理。

然后，我们定义了两个方法：`readThrough`和 `writeThrough`，分别实现了 Read Through 和 Write Through 策略。

*  `readThrough` 方法首先尝试从缓存中读取数据，如果缓存中没有，那么从数据库中读取，并将从数据库中读取的数据放入缓存。
 *  `writeThrough` 方法首先将数据写入数据库，然后将数据写入缓存。

`getFromDatabase` 和 `writeToDatabase`方法是从数据库中获取数据和将数据写入数据库的代码，具体实现省略。

注意：在实际使用中，你需要在 Spring Boot 的配置文件中配置 Redis 连接信息。

[image-20230913200928903]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d7d3a5d2c1fb75d36ded9fd579d5dc7d.png
[image-20230913200158436]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/43567e2b53aba49bf17db552644f549b.png
[image-20230913194418121]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/43b10eefdc5f550631fc022c80694ee6.png