Redis经典面试题：你知道缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩吗？

末蓝、 2024-04-25 08:35 67阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*  前言
 *  面试题剖析
 *   *  花里胡哨的名词
     *  透过现象看本质
 *  面试题解决方案
 *   *  透过现象看本质
     *  提高缓存命中率一：完美处理热点Key的消失
     *  提高缓存命中率二：避免查询不存在的数据
     *  提高缓存命中率三：降低缓存服务的不可用
 *  面试题案例
 *   *  模拟案例
     *  案例代码
     *  案例执行效果
 *  总结

## 前言 ##

又快到一年一度的金三银四了，大家在面试的时候一定被问到过Redis缓存问题吧。可能有些初学者对“**缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩**”这几个名词感到陌生，或者了解过但是一时半会没办法理解。没关系，希望通过本文可以让你轻松理解这些概念并掌握其解决方案，然后在即将到来的金三银四面试中对你有所帮助。

## 面试题剖析 ##

### 花里胡哨的名词 ###

刚开始我以为“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”说的是3个问题，在各个博客以及视频的讲解下越来越绕。最后我捋了一下，这TM不是一个问题吗。

为了让大家也绕一绕，我把各博客对“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”的描述贴在这里：

> **缓存击穿**是指一个热点的Key在某个瞬间过期失效了，大量的并发请求在缓存获取不到数据后直接请求数据库的现象。  
> **缓存穿透**是指查询一个根本不存在的数据，缓存和数据库都不会命中，导致每次请求都要到数据库去查询。  
> **缓存雪崩**指的是缓存由于宕机或者某些原因不能提供服务，导致所有的请求去访问数据库，造成数据库查询压力骤增从而宕机。

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### 透过现象看本质 ###

我就非常不理解了，为什么把缓存带来的一个问题分好几个场景去描述，还这解决方案，那解决方案的，花里胡哨的增加了大家的理解难度。

**在我看来“缓存击穿、缓存穿透，缓存雪崩”都是在说一个问题，那就是：**

缓存没命中，请求落到数据库了 \\color\{blue\}\{缓存没命中，请求落到数据库了\} 缓存没命中，请求落到数据库了

**而“缓存雪崩”才突出了问题的本质：**

没有缓存的缓冲，数据库承受不了那么大的压力，可能会造成宕机等问题。 \\color\{blue\}\{没有缓存的缓冲，数据库承受不了那么大的压力，可能会造成宕机等问题。\} 没有缓存的缓冲，数据库承受不了那么大的压力，可能会造成宕机等问题。

仔细想想是不是这样？“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”最终的描述都是请求落到数据库了，只不过场景不同罢了。但不论哪种场景，在并发高的情况下都会给数据库带来压力。

所以，一个问题分这么多场景，引出这么多名词，我认为就是在增加大家的理解难度。

## 面试题解决方案 ##

有问题就会有解决方案，既然看了这篇文章就不要死记硬背了，不然过段时间又会忘记，跟着思路顺其自然的理解。

### 透过现象看本质 ###

对于以上的几个场景，要解决的问题就是：

如何提高缓存命中率。 \\color\{blue\}\{如何提高缓存命中率。\} 如何提高缓存命中率。

也就是尽量避免请求打到数据库中，尤其是高并发的请求。主要涉及两个层面：

1.  **缓存组件要可靠：首先要确保缓存组件足够可靠。**
2.  **代码逻辑要严谨：在编写代码使用缓存时尽量要把各种场景考虑进去，把问题当作功能的一部分。**

像“缓存击穿、缓存穿透”问题的产生都属于代码逻辑不严谨。*热点Key怎么能突然消失呢？一个相同的请求怎么能并发访问到数据库呢？怎么能允许一个不存在的数据一直请求呢*？

接下来就针对引起“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”的几个问题进行剖析处理。

### 提高缓存命中率一：完美处理热点Key的消失 ###

热点数据通常分为可控和不可控。拿电商系统来讲，商品分类属于可控，因为基本上这类数据是通过后台配置的。而一些商品可能会因为某个原因突然爆火成为热点数据，这类数据属于不可控。

不论可控或不可控，热点数据不可以突然就消失，所以在缓存时要有对应的策略。

*  像商品分类这类数据就可以不设置过期时间。
 *  而像不可控的热点数据，要靠一些策略避免其过期，比如通过“看门狗”方式监控热点Key，快过期时进行“续命”。

> 可以都不设置过期时间，让淘汰策略去淘汰数据吗？

`非常不建议。`线上遇到过一个问题:用户每次登录之后会莫名其妙退出。原因是因为Redis服务容量不足，所以最近登录生成的token一直被淘汰。虽然没有报错，但是给用户带来不好的体验，对产品造成非常不好的影响。

> 当然，避免不了热点Key被人为删除或者其他恶意破坏，当发生这种情况怎么办？

如果热点Key不存在缓存中，势必要去数据库中查询了。此时，如果并发请求过高，一定不能让所有请求打到数据库，可以对该key进行加锁处理，获取到锁的请求去数据库访问并缓存，其他请求则等待该key缓存后再访问缓存。

**因为平时写代码会很自然考虑到这一点，所以这也是为什么我刚开始一直不理解“缓存击穿”这样的问题。**

### 提高缓存命中率二：避免查询不存在的数据 ###

造成“**查询不存在的数据**”的原因要么是代码或数据出现问题，要么是遭到恶意的攻击造成的空命中。总之，这种情况无法完全避免。

但是，我们知道哪些数据会被缓存。这样的话，我们可以将这些数据放在一个“大集合”中，当请求的数据不存在这个“大集合”时，直接返回NULL即可。

> 那么问题来了：这个“大集合”放在哪里？肯定不能是数据库，但是内存容量又是有限的。怎么办？

有一个叫布隆过滤器的数据结构可以解决这个问题。其主要用于检测一个元素是否在一个集合里，其原理是：数据通过一组哈希函数映射到位图中，不论该元素多大都只需要占用1位，从而节省大量空间。如下图

![在这里插入图片描述][b4233b9708284add94f00bd61e0e4e61.png]

这样的话，我就可以将要缓存的数据先放在布隆过滤器中，当查询的数据不在布隆过滤器时就可以直接返回NULL了。

**ps：大家可以先去其他平台看下同名写的布隆过滤器的应用和原理，这里不好挂链接，后续再搬过来。**

### 提高缓存命中率三：降低缓存服务的不可用 ###

降低缓存服务的不可用也就是提高缓存服务的可用性，也就是Redis的高可用，这个没有什么逻辑就不展开了。

## 面试题案例 ##

### 模拟案例 ###

现在，通过代码模拟一个因“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”，请求并发到MySQL服务上，看会发生什么事。

`服务器环境：1核1G`  
`编程语言：Java`

### 案例代码 ###

public class MainTest {
        
        private static final String DB_URL = "jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test";
        private static final String USER = "root";
        private static final String PASS = "Mysql123.";
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    
            Timer timer = new Timer();
            TimerTask task = new TimerTask() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    QueryTask.cacheExist = false;
                }
            };
            timer.schedule(task, 60 * 1000);
    
            while (true) {
        
    
                ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1500);
                for (int i = 0; i <1500 ; i++) {
        
                    executorService.submit(new MainTest.QueryTask());
                    System.gc();
                }
            }
        }
    
        static class QueryTask implements Runnable {
        
            static boolean cacheExist = true;
    
            @Override
            public void run() {
        
                try {
        
    
                    if (cacheExist) {
        
                        System.out.println("访问缓存");
                    } else {
        
                        Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
                        Connection conn = DriverManager.getConnection(DB_URL, USER, PASS);
                        Statement statement = conn.createStatement();
                        Thread.sleep(3000);
                        String query = "SELECT * FROM test_cache";
                        ResultSet rs = statement.executeQuery(query);
                        while (rs.next()) {
        
                            int id = rs.getInt("id");
                            String value = rs.getString("value");
                            System.out.println("ID: " + id + ", Value: " + value);
                        }
    
                        rs.close();
                        statement.close();
                        conn.close();
                    }
                } catch (Exception e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

上面的代码主要做了两件事：

1.  **模拟1500个线程去查询数据。cacheExist为true时访问缓存，为false时去请求数据库。**
2.  **通过定时任务在1分钟后将cacheExist设置为false。各位就想象成热点Key的突然消失、查询不存在的数据、redis的宕机。**

### 案例执行效果 ###

代码在执行1分钟后就会报下面的错误信息：

com.mysql.jdbc.exceptions.jdbc4.MySQLNonTransientConnectionException: Data source rejected establishment of connection,  message from server: "Too many connections"

这是因为MySQL最大连接数只有151，远远低于并发线程数1500。

mysql> show variables like '%max_connections%';
    +-----------------+-------+
    | Variable_name   | Value |
    +-----------------+-------+
    | max_connections | 151   |
    +-----------------+-------+

此时，我将MySQL最大连接数设置为1500。

mysql> SET GLOBAL max_connections = 1500;
    Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
    
    mysql> show variables like '%max_connections%';
    +-----------------+-------+
    | Variable_name   | Value |
    +-----------------+-------+
    | max_connections | 1500  |
    +-----------------+-------+

现在执行 `SHOW STATUS LIKE 'Threads_connected'` 去查看MySQL连接线程数会发现数值突然升高，当连接数为`1283` 左右时，就会发现MySQL服务已经断开连接或者服务器宕机，也就是缓存雪崩的效果。

![MySQL压力过高宕机][MySQL]

## 总结 ##

面试时不要被花里胡哨的问题迷惑住，要思考一下问题的本质。

**“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”问题的本质就是：**

当缓存没命中或失效，并发的请求打到数据库怎么办？ \\color\{blue\}\{当缓存没命中或失效，并发的请求打到数据库怎么办？\} 当缓存没命中或失效，并发的请求打到数据库怎么办？

通过上面的描述，此类问题要有以下考虑：

1.  **提高缓存命中率。比如，要解决热点Key的突然消失、要避免查询不存在的数据等。**
2.  **数据库并发请求要设置合理。太低了浪费资源，太高了就会出现MySQL服务宕机情况。**

写完这篇文章正好是年前最后一天班了，祝大家新年快乐，恭喜发财。

[fcca2b7616804908ae3c0d377f47c530.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/96cc69b97da1426991200f3e7a41abf5.png
[4c91da09990647adb54079260e7cca16.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/47161c7bbc8d4e9cb6727805645ba2d7.png
[b4233b9708284add94f00bd61e0e4e61.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/ed63a06027734bd8be9372d16e70044b.png
[MySQL]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/434cc8699f3944c68c5005aca2c61255.png