Day12_11_Redis教程之Redis缓存存在的问题

小咪咪 2024-02-19 20:14 65阅读 0赞

## 11\_Redis教程之Redis缓存存在的问题 ##

### 一. 选择合适的数据存储方案 ###

#### 1. 关系型数据库 MySQL ####

MySQL 是一个最流行的关系型数据库,在互联网产品中应用比较广泛.一般情况下,MySQL 数据库是选择的第一方案,基本上有 80% ~ 90% 的场景都是基于 MySQL 数据库的,因为需要关系型数据库进行管理.此外,业务存在许多事务性的操作,需要保证事务的强一致性.同时可能还存在一些复杂的 SQL 查询.值得注意的是,前期尽量减少表的联合查询,便于后期数据量增大的情况下,做数据库的分库分表.

#### 2. 内存数据库 Redis ####

随着数据量的增长,MySQL 已经满足不了大型互联网应用的需求了.而 Redis 基于内存存储数据,可以极大的提高查询性能,对产品在架构上很好的补充.例如,为了提高服务端接口的访问速度,尽可能将读频率高的热点数据存放在 Redis 中.这个是非常典型的以空间换时间的策略,使用更多的内存换取 CPU 资源,通过增加系统的内存消耗,来加快程序的运行速度.

在某些场景下,可以充分的利用 Redis 的特性,大大提高效率.这些场景包括缓存,会话缓存,时效性,访问频率,计数器,社交列表,记录用户判定信息,交集、并集和差集,热门列表与排行榜,最新动态等.

使用 Redis 做缓存的时候,需要考虑数据不一致与脏读、缓存更新机制、缓存可用性、缓存服务降级、缓存穿透、缓存预热等缓存使用问题.

#### 3. 文档数据库 MongoDB ####

MongoDB 是对传统关系型数据库的补充,它非常适合高伸缩性的场景,它是可扩展的表结构.基于这点,可以将预期范围内,表结构可能会不断扩展的 MySQL 表结构,通过 MongoDB 来存储,这就可以保证表结构的扩展性.

此外,日志系统数据量特别大,如果用 MongoDB 数据库存储这些数据,利用集群分片支持海量数据,同时使用聚集分析和 MapReduce 的能力,是个很好的选择.

MongoDB 还适合存储大尺寸的数据,GridFS 存储方案就是基于 MongoDB 的分布式文件存储系统.

#### 4. 列族数据库 HBase ####

HBase 适合海量数据的存储与高性能实时查询,它是运行于 HDFS 文件系统之上,并且作为 MapReduce 分布式处理的目标数据库,以支撑离线分析型应用.在数据仓库、数据集市、商业智能等领域发挥了越来越多的作用,在数以千计的企业中支撑着大量的大数据分析场景的应用.

#### 5. 全文搜索引擎 ElasticSearch ####

在一般情况下,关系型数据库的模糊查询,都是通过 like 的方式进行查询.其中，like “value%” 可以使用索引,但是对于 like “%value%” 这样的方式,执行全表查询,这在数据量小的表,不存在性能问题,但是对于海量数据,全表扫描是非常可怕的事情.ElasticSearch 作为一个建立在全文搜索引擎 Apache Lucene 基础上的实时的分布式搜索和分析引擎,适用于处理实时的搜索应用场景.此外,使用 ElasticSearch 全文搜索引擎,还可以支持多词条查询、匹配度与权重、自动联想、拼写纠错等高级功能.因此,可以使用 ElasticSearch 作为关系型数据库全文搜索的功能补充,将要进行全文搜索的数据缓存一份到 ElasticSearch 上,达到处理复杂的业务与提高查询速度的目的.

ElasticSearch 不仅仅适用于搜索场景,还非常适合日志处理与分析的场景.**著名的 ELK 日志处理方案,由 ElasticSearch、LogStash 和 KibAna 三个组件组成**,包括了日志收集、聚合、多维度查询、可视化显示等.

### 二. 使用缓存的必要性 ###

*  热点数据,缓存才有价值;
 *  频繁修改的数据,看情况考虑使用缓存;
 *  数据不一致性;
 *  缓存更新机制;
 *  缓存可用性;
 *  缓存服务降级;
 *  缓存预热;
 *  缓存穿透.

### 三. 使用缓存可能存在的问题 ###

缓存雪崩、缓存穿透、缓存预热、缓存更新、缓存降级

### 四. 缓存雪崩 ###

#### 1. 缓存雪崩概念 ####

缓存雪崩我们可以简单的理解为:由于原有的缓存失效,而新缓存还未获取到的这个期间(例如:我们设置缓存时采用了相同的过期时间,在同一时刻出现大面积的缓存过期),所有原本应该访问缓存的请求都去查询数据库了,此时对数据库,CPU和内存都造成了巨大压力,严重的会造成数据库宕机,从而形成一系列连锁反应,造成整个系统崩溃.

缓存正常从Redis中获取,示意图如下:  
![Image 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5YzAwMDY2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

缓存失效瞬间示意图如下:  
![Image 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5YzAwMDY2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

#### 2. 缓存雪崩的解决方案 ####

**<1>. 解决方案-->加锁排队**: 适用于并发量不是特别多的时候,伪代码如下:

![Image 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5YzAwMDY2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

加锁排队只是为了减轻数据库的压力,并没有提高系统吞吐量.假设在高并发下,缓存重建期间key是锁着的,这时过来1000个请求999个都在阻塞,同样会导致用户等待超时,这是个治标不治本的方法.

注意:

加锁排队的解决方式是处理分布式环境的并发问题,有可能还要解决分布式锁的问题,线程还会被阻塞,用户体验很差.因此,在真正的高并发场景下很少使用!

**<2>. 解决方案-->缓存标记**: 给每一个缓存数据增加相应的缓存标记,记录缓存是否失效,如果缓存标记失效,则更新数据缓存.实例伪代码如下:

![Image 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5YzAwMDY2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

解释说明:

1️⃣. **缓存标记:** 记录缓存数据是否过期,如果过期会触发一个通知,通知另外的线程在后台去更新实际key的缓存;

2️⃣. **缓存数据:** 它的过期时间比缓存标记的时间延长1倍,例: 标记缓存时间30分钟,数据缓存设置为60分钟.这样,当缓存标记key过期后,实际缓存还能把旧数据返回给调用端,直到另外的线程在后台更新完成后,才会返回新缓存.

关于缓存崩溃的解决方法,这里提出了三种方案: 使用锁或队列、设置过期标志更新缓存、为key设置不同的缓存失效时间,还有一各被称为“二级缓存”的解决方法,有兴趣的读者可以自行研究.

### 五. 缓存穿透 ###

#### 1. 缓存穿透概念 ####

缓存穿透是指当用户查询数据的时候,如果此时数据库中没有,在缓存中自然也没有,这样就导致用户查询的时候,在缓存中找不到,每次都要去数据库再查询一遍,然后返回空(相当于进行了两次无用的查询).这样请求就绕过缓存直接查数据库,这也是经常提的缓存命中率问题.

#### 2. 缓存穿透解决方案 ####

**<1>. 解决方案--->布隆过滤器**: 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.

**<2>. 解决方案--->缓存空数据:** 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.通过这个直接设置的默认值存放到缓存,这样第二次到缓存中获取就有值了,而不会继续访问数据库,这种办法最简单粗暴.

![Image 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5YzAwMDY2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

把空结果也给缓存起来,这样下次同样的请求就可以直接返回空了,即可以避免当查询的值为空时引起的缓存穿透,同时也可以单独设置一个缓存区域存储空值,对要查询的key进行预先校验,然后再放行给后面的正常缓存处理逻辑.

### 六. 缓存预热 ###

#### 1. 缓存预热概念 ####

缓存预热就是系统上线后,提前将相关的缓存数据直接加载到缓存系统.避免在用户请求的时候,先查询数据库,然后再将数据缓存的问题,用户直接查询事先被预热的缓存数据.

#### 缓存预热解决方案 ####

*  1️⃣. 直接写个缓存刷新页面,上线时手工操作下;
 *  2️⃣. 数据量不大,可以在项目启动的时候自动进行加载;
 *  3️⃣. 定时刷新缓存.

### 七. 缓存更新 ###

#### 1. 缓存更新策略 ####

除了缓存服务器自带的缓存失效策略之外(Redis默认的有6中策略可供选择),我们还可以根据具体的业务需求进行自定义的缓存淘汰,常见的策略有两种:

*  1️⃣. 定时去清理过期的缓存;
 *  2️⃣. 当有用户请求过来时,再判断这个请求所用到的缓存是否过期,过期的话就去底层系统得到新数据并更新缓存.

两者各有优劣,第一种的缺点是维护大量缓存的key是比较麻烦的,第二种的缺点就是每次用户请求过来都要判断缓存失效,逻辑相对比较复杂.具体用哪种方案,大家可以根据自己的应用场景来权衡.

### 八. 缓存降级 ###

#### 1. 缓存降级概念 ####

当访问量剧增、服务出现问题(如响应时间慢或不响应)或非核心服务影响到核心流程的性能时,仍然需要保证服务还是可用的,即使是有损服务.系统可以根据一些关键数据进行自动降级,也可以配置开关实现人工降级.

降级的最终目的是保证核心服务可用,即使是有损的,而有些服务是无法降级的(如加入购物车、结算).

在进行降级之前要对系统进行梳理,看看系统是不是可以丢卒保帅,从而梳理出哪些必须誓死保护,哪些可降级,比如可以参考日志级别设置预案:

*  1️⃣.**一般**: 比如有些服务偶尔因为网络抖动或者服务正在上线而超时,可以自动降级;
 *  2️⃣.**警告**: 有些服务在一段时间内成功率有波动(如在95~100%之间),可以自动降级或人工降级,并发送告警;
 *  3️⃣.**错误**: 比如可用率低于90%,或者数据库连接池被打爆了,或者访问量突然猛增到系统能承受的最大阀值,此时可以根据情况自动降级或者人工降级;
 *  4️⃣.**严重错误**: 比如因为特殊原因数据错误了,此时需要紧急人工降级.

#### 2. 缓存降级的分类 ####

#### 2.1 页面降级 ####

在大促或者某些特殊情况下,某些页面占用了一些稀缺服务资源,在紧急情况下可以对其整个降级,以达到丢卒保帅的目的.

#### 2.2 页面片段降级 ####

比如商品详情页中的商家部分因为数据错误了,此时需要对其进行降级.

#### 2.3 页面异步请求降级 ####

比如商品详情页上有推荐信息/配送至等异步加载的请求,如果这些信息响应慢或者后端服务有问题,可以进行降级.

#### 2.4 服务功能降级 ####

比如渲染商品详情页时需要调用一些不太重要的服务: 相关分类、热销榜等,而这些服务在异常情况下直接不获取,即降级即可.

#### 2.5 读降级 ####

比如多级缓存模式,如果后端服务有问题，可以降级为只读缓存,这种方式适用于对读一致性要求不高的场景.

#### 2.6 写降级 ####

比如秒杀抢购,我们可以只进行Cache的更新,然后异步同步扣减库存到DB,保证最终一致性即可,此时可以将DB降级为Cache.

#### 2.7 爬虫降级 ####

在大促活动时,可以将爬虫流量导向静态页或者返回空数据,从而保护后端稀缺资源.

#### 2.8 自动开关降级 ####

自动降级是根据系统负载、资源使用情况、SLA等指标进行降级.

#### 2.9 超时降级 ####

当访问的数据库/http服务/远程调用响应慢或者长时间响应慢,且该服务不是核心服务的话可以在超时后自动降级,比如商品详情页上有推荐内容/评价,但是推荐内容/评价暂时不展示对用户购物流程不会产生很大的影响.对于这种服务是可以超时降级的,如果是调用别人的远程服务,和对方定义一个服务响应最大时间,如果超时了则自动降级.

### 九. Redis 内存淘汰机制 ###

Redis 内存淘汰指的是用户存储的一些键被可以被 Redis 主动地从实例中删除,从而产生读 miss 的情况,那么 Redis 为什么要有这种功能?这就是我们需要探究的设计初衷.Redis 最常见的两种应用场景为缓存和持久存储,首先要明确的一个问题是内存淘汰策略更适合于那种场景?是持久存储还是缓存?

假设我们有一个 Redis 服务器,服务器物理内存大小为 1G 的,我们需要存在 Redis 中的数据量很小,这看起来似乎足够用很长时间了,随着业务量的增长,我们放在 Redis 里面的数据越来越多了,数据量大小似乎超过了 1G,但是应用还可以正常运行,这是因为操作系统的可见内存并不受物理内存限制,而是虚拟内存,物理内存不够用没关系,操作系统会从硬盘上划出一片空间用于构建虚拟内存,比如32位的操作系统的可见内存大小为 `2^32`,而用户空间的可见内存要小于 `2^32` 很多,大概是 3G 左右.

**内存的淘汰机制的初衷是为了更好地使用内存,用一定的缓存 miss 来换取内存的使用效率.**

#### 1. 如何开启 ####

作为 Redis 用户,我们如何使用 Redis 提供的这个特性呢?

# maxmemory <bytes>

我们可以通过配置 `redis.conf` 中的 `maxmemory` 这个值来开启内存淘汰功能,至于这个值有什么意义,我们可以通过了解内存淘汰的过程来理解它的意义:

*  客户端发起了需要申请更多内存的命令(如set);
 *  Redis 检查内存使用情况,如果已使用的内存大于 `maxmemory`则开始根据用户配置的不同淘汰策略来淘汰内存(key),从而换取一定的内存;
 *  如果上面都没问题,则这个命令执行成功.

`maxmemory` 为 0 的时候表示我们对 Redis 的内存使用没有限制.

#### 2. 内存淘汰策略 ####

内存淘汰只是 Redis 提供的一个功能,为了更好地实现这个功能,必须为不同的应用场景提供不同的策略,内存淘汰策略讲的是为实现内存淘汰我们具体怎么做,要解决的问题包括淘汰键空间如何选择?在键空间中淘汰键如何选择?

Redis 提供了下面几种淘汰策略供用户选择,其中默认的策略为 `noeviction` 策略:

*  **noeviction**:当内存使用达到阈值的时候,所有引起申请内存的命令会报错;
 *  **allkeys-lru**:在主键空间中,优先移除最近未使用的key;
 *  **volatile-lru**:在设置了过期时间的键空间中,优先移除最近未使用的 key;
 *  **allkeys-random**:在主键空间中,随机移除某个 key;
 *  **volatile-random**:在设置了过期时间的键空间中,随机移除某个 key;
 *  **volatile-ttl**:在设置了过期时间的键空间中,具有更早过期时间的 key 优先移除.

这里补充一下主键空间和设置了过期时间的键空间,举个例子,假设我们有一批键存储在Redis中,则有那么一个哈希表用于存储这批键及其值,如果这批键中有一部分设置了过期时间,那么这批键还会被存储到另外一个哈希表中,这个哈希表中的值对应的是键被设置的过期时间,设置了过期时间的键空间为主键空间的子集.

#### 3. 如何选择淘汰策略 ####

我们了解了 Redis 大概提供了这么几种淘汰策略,那么如何选择呢?淘汰策略的选择可以通过下面的配置指定:

# maxmemory-policy noeviction

但是这个值填什么呢?为解决这个问题,我们需要了解我们的应用请求对于 Redis 中存储的数据集的访问方式以及我们的诉求是什么.同时 Redis 也支持 Runtime 修改淘汰策略,这使得我们不需要重启 Redis 实例而实时的调整内存淘汰策略.

下面看看几种策略的适用场景:

*  **allkeys-lru**: 如果我们的应用对缓存的访问符合幂律分布(也就是存在相对热点数据),或者我们不太清楚我们应用的缓存访问分布状况,我们可以选择 allkeys-lru 策略;
 *  **allkeys-random**: 如果我们的应用对于缓存 key 的访问概率相等,则可以使用这个策略;
 *  **volatile-ttl**: 这种策略使得我们可以向 Redis 提示哪些 key 更适合被 eviction.

另外,`volatile-lru` 策略和 `volatile-random` 策略适合我们将一个Redis实例既应用于缓存和又应用于持久化存储的时候,然而我们也可以通过使用两个 Redis 实例来达到相同的效果,值得一提的是将key设置过期时间实际上会消耗更多的内存,因此我们建议使用 `allkeys-lru` 策略从而更有效率的使用内存.

#### 4. 非精准的 LRU ####

上面提到的 LRU(Least Recently Used)策略,实际上 Redis 实现的 LRU 并不是可靠的 LRU,也就是名义上我们使用 LRU 算法淘汰键,但是实际上被淘汰的键并不一定是真正的最久没用的.这里涉及到一个权衡的问题,如果需要在全部键空间内搜索最优解,则必然会增加系统的开销,Redis 是单线程的,也就是同一个实例在每一个时刻只能服务于一个客户端,所以耗时的操作一定要谨慎.为了在一定成本内实现相对的 LRU,早期的 Redis 版本是基于采样的 LRU,也就是放弃全部键空间内搜索解改为采样空间搜索最优解.自从 Redis3.0 版本之后,Redis 作者对于基于采样的 LRU 进行了一些优化,目的是在一定的成本内让结果更靠近真实的 LRU.

### 十. Redis 集群方案与实现 ###

*  客户端分片;
 *  基于代理的分片;
 *  路由查询;
 *  客户端分片;
 *  由客户端决定 key 写入或者读取的节点;
 *  包括 Jedis 在内的一些客户端,实现了客户端分片机制.

#### 1.路由查询 ####

将请求发送到任意节点,接收到请求的节点会将查询请求发送到正确的节点上执行.

#### 2.开源方案 ####

Sentinel

[Image 1]: 
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