1 文章概述

在使用 Redis 作為緩存時(shí)，緩存穿透、緩存擊穿和緩存雪崩是常見的問題，可能會(huì)影響系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。本文將深入探討這些問題的概念、產(chǎn)生原因、以及可能帶來的影響，并針對(duì)這些問題提供的解決方案，以幫助讀者更好地理解并解決這些挑戰(zhàn)。

2 緩存穿透

2.1 什么是緩存穿透？

緩存穿透問題： 大量且頻繁地請(qǐng)求緩存和數(shù)據(jù)庫中都不存在的數(shù)據(jù)，由于緩存無法命中，這些請(qǐng)求都穿透緩存直接訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫壓力暴增，影響系統(tǒng)性能。

緩存穿透可能發(fā)生的原因包括查詢參數(shù)異常、惡意攻擊、業(yè)務(wù)邏輯錯(cuò)誤等。如果惡意用戶或者攻擊者發(fā)送大量不存在于緩存中的請(qǐng)求，系統(tǒng)會(huì)不斷地去查詢數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫負(fù)載增加，甚至可能引起數(shù)據(jù)庫宕機(jī)。緩存穿透不僅影響系統(tǒng)性能，還可能暴露后端數(shù)據(jù)給未經(jīng)授權(quán)的用戶，造成安全隱患。

2.2 緩存穿透的解決方法

要解決緩存穿透問題，本質(zhì)就是要避免出現(xiàn)請(qǐng)求直接訪問數(shù)據(jù)庫的情況。

2.2.1 做好參數(shù)校驗(yàn)

解決緩存穿透，最基本的就是首先做好參數(shù)校驗(yàn)，從系統(tǒng)入口處就拒絕掉非法的請(qǐng)求，一些不合法的參數(shù)請(qǐng)求直接拋出異常信息返回給客戶端。比如查詢的數(shù)據(jù)庫 id 不能小于 0、傳入的郵箱格式不對(duì)的時(shí)候直接返回錯(cuò)誤消息給客戶端等等。

2.2.2 緩存無效Key

做好參數(shù)校驗(yàn)只能拒絕掉不符合基本參數(shù)校驗(yàn)規(guī)則的請(qǐng)求，對(duì)于那些符合參數(shù)校驗(yàn)規(guī)則的無效請(qǐng)求則無能為力。

緩存無效Key方法指的是，在緩存和數(shù)據(jù)庫都查詢不到數(shù)據(jù)的時(shí)候，向緩存中插入一個(gè)空的數(shù)據(jù)，并設(shè)置過期時(shí)間。這樣，當(dāng)下一次接收到相同請(qǐng)求時(shí)，就可以直接從緩存中獲取到空數(shù)據(jù)，而不需要查詢數(shù)據(jù)庫。

這種方式可以解決請(qǐng)求的 key 變化不頻繁的情況，如果黑客每次構(gòu)建不同的請(qǐng)求 key，不僅不能解決緩存穿透問題，還會(huì)導(dǎo)致 Redis 中緩存大量無效的 key 。很明顯，這種方案并不能從根本上解決此問題。如果非要用這種方式來解決穿透問題的話，盡量將無效的 key 的過期時(shí)間設(shè)置短一點(diǎn)。

2.2.3 使用布隆過濾器

布隆過濾器是一個(gè)非常神奇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過它我們可以非常方便地判斷一個(gè)給定數(shù)據(jù)是否存在于海量數(shù)據(jù)中。我們可以把它看作由二進(jìn)制向量（或者說位數(shù)組）和一系列隨機(jī)映射函數(shù)（哈希函數(shù)）兩部分組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。相比于我們平時(shí)常用的 List、Map、Set 等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它占用空間更少并且效率更高，但是缺點(diǎn)是其返回的結(jié)果是概率性的，而不是非常準(zhǔn)確的。理論情況下添加到集合中的元素越多，誤報(bào)的可能性就越大。并且，存放在布隆過濾器的數(shù)據(jù)不容易刪除。

關(guān)于布隆過濾器的更多內(nèi)容，可以參考文章：布隆過濾器有什么用？什么原理？如何使用？

使用布隆過濾器解決緩存穿透問題的方法是：將所有可能存在的請(qǐng)求的值都存放在布隆過濾器中，當(dāng)用戶請(qǐng)求過來，先判斷用戶發(fā)來的請(qǐng)求的值是否存在于布隆過濾器中。不存在的話，直接返回請(qǐng)求參數(shù)錯(cuò)誤信息給客戶端，存在的話才會(huì)走后續(xù)流程。

2.2.4 接口限流

根據(jù)用戶或者 IP 對(duì)接口進(jìn)行限流，對(duì)于異常頻繁的訪問行為，還可以采取黑名單機(jī)制，例如將異常 IP 列入黑名單。

3 緩存擊穿

3.1 什么是緩存擊穿？

緩存擊穿問題： 緩存擊穿是指緩存中的某個(gè)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)突然失效或過期，此時(shí)有大量并發(fā)請(qǐng)求同時(shí)訪問該數(shù)據(jù)，導(dǎo)致這些請(qǐng)求無法從緩存中獲取數(shù)據(jù)，而直接訪問數(shù)據(jù)庫，造成數(shù)據(jù)庫壓力劇增，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫宕機(jī)。緩存擊穿通常發(fā)生在具有高并發(fā)讀取請(qǐng)求的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)上。

3.2 緩存擊穿的解決方法

3.2.1 調(diào)整熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過期時(shí)間

設(shè)置熱點(diǎn)數(shù)據(jù)永不過期或設(shè)置較長過期時(shí)間，避免熱點(diǎn)數(shù)據(jù)突然過期的情況，從根源上解決緩存擊穿問題！

應(yīng)該沒人會(huì)去隨便刪除熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存吧？！

3.2.2 熱點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)熱

針對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)提前預(yù)熱，將其存入緩存中并設(shè)置合理的過期時(shí)間。這也能從根源上解決緩存擊穿問題！

比如在秒殺場景中：可以在秒殺活動(dòng)開始之前，將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)加載到緩存中，并設(shè)置其過期時(shí)間在秒殺結(jié)束之后。

3.2.3 控制數(shù)據(jù)庫并發(fā)

在緩存失效時(shí)使用互斥鎖（Mutex）或者分布式鎖來保護(hù)數(shù)據(jù)庫查詢過程，只允許一個(gè)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，其他線程等待查詢結(jié)果。

4 緩存雪崩

4.1 什么是緩存雪崩？

緩存雪崩問題： 緩存雪崩是指在緩存中存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)同時(shí)失效或者過期，導(dǎo)致大量請(qǐng)求直接訪問數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)庫負(fù)載劇增，甚至引發(fā)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。

注意：緩存服務(wù)器宕機(jī)導(dǎo)致的緩存失效也算哦

4.2 緩存雪崩的解決方法

4.2.1 針對(duì)緩存服務(wù)不可用的情況

• 采用 Redis 集群，避免單機(jī)出現(xiàn)問題整個(gè)緩存服務(wù)都沒辦法使用。
• 限流，避免同時(shí)處理大量的請(qǐng)求。
• 采用多級(jí)緩存，例如本地緩存+Redis 緩存的組合，當(dāng) Redis 緩存出現(xiàn)問題時(shí)，還可以從本地緩存中獲取到部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4.2.2 針對(duì)緩存大面積過期的情況

• 設(shè)置緩存數(shù)據(jù)的過期時(shí)間隨機(jī)性，避免大量數(shù)據(jù)同時(shí)失效。
• 緩存永不失效（不太推薦，實(shí)用性太差）。
• 緩存預(yù)熱，也就是在程序啟動(dòng)后或運(yùn)行過程中，主動(dòng)將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)加載到緩存中。