1.無(wú)處不在的緩存

緩存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是無(wú)處不在，在CPU層面有L1-L3的Cache，在Linux中有TLB加速虛擬地址和物理地址的轉(zhuǎn)換，在瀏覽器有本地緩存、手機(jī)有本地緩存等。

可見(jiàn)，緩存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有非常重要的地位，其主要作用是提高響應(yīng)速度、減少磁盤(pán)訪問(wèn)等，本文主要討論在高并發(fā)系統(tǒng)中的緩存系統(tǒng)。

一句話概括緩存系統(tǒng)在高并發(fā)系統(tǒng)中的地位的話：如果高并發(fā)系統(tǒng)是烤羊肉串，那么緩存系統(tǒng)就是那一撮孜然。

2.高并發(fā)系統(tǒng)中的緩存

2.1 緩存系統(tǒng)的作用

緩存系統(tǒng)在高并發(fā)系統(tǒng)的作用很大，在某種程度上可以說(shuō)沒(méi)有緩存系統(tǒng)很難支撐高并發(fā)場(chǎng)景。

基于機(jī)械磁盤(pán)或SSD的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)讀寫(xiě)的速度遠(yuǎn)慢于內(nèi)存，因此單純磁盤(pán)介質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法支撐很高的并發(fā)，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為緩存是保護(hù)磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要屏障。

對(duì)于一些基于LSM的存儲(chǔ)引擎數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，隨機(jī)寫(xiě)改為順序?qū)懰俣忍嵘艽螅请S機(jī)讀仍然是個(gè)問(wèn)題，所以緩存系統(tǒng)是很有必要的。

2.2 緩存系統(tǒng)訪問(wèn)流程

實(shí)際場(chǎng)景也是讀多寫(xiě)少，看看請(qǐng)求是如何得到響應(yīng)的，簡(jiǎn)單看下交互流程：

請(qǐng)求到達(dá)之后，業(yè)務(wù)線程首先訪問(wèn)緩存，如果緩存命中則返回

如果未命中則繼續(xù)請(qǐng)求磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，獲取數(shù)據(jù)返回

從磁盤(pán)獲取數(shù)據(jù)后將結(jié)果回寫(xiě)到緩存系統(tǒng)且增加老化時(shí)間，為下次請(qǐng)求做準(zhǔn)備

以上是高并發(fā)系統(tǒng)中緩存和磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、客戶端請(qǐng)求之間的交互過(guò)程，后續(xù)的問(wèn)題分析，也是基于此過(guò)程展開(kāi)的。

3.緩存系統(tǒng)的三大問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)上對(duì)于緩存三大問(wèn)題的文章很多，提到的三個(gè)問(wèn)題主要是：

緩存雪崩 Cache Avalanche

緩存穿透 Cache Penetration

緩存擊穿 Hotspot Invalid

對(duì)于上面的三個(gè)名詞我一直分不清楚，腦海中并沒(méi)有清晰的區(qū)別。

于是想到去谷歌看看歪果仁是怎么說(shuō)的，然而英文表述就是上面的英文，基本上和漢語(yǔ)翻譯是一樣的，所以只能強(qiáng)記，太難了。

3.1 緩存雪崩問(wèn)題

所謂雪崩就是原來(lái)有所支撐的冰雪，某一瞬間失去依托，瞬間涌下來(lái)。

這個(gè)場(chǎng)景讓我想起了2011年上映的柯南劇場(chǎng)版《沉默的十五分鐘》，柯南在北澤村水庫(kù)為了拯救村莊制造的雪崩：

可見(jiàn)雪崩確實(shí)很可怕，回到高并發(fā)系統(tǒng)，如果緩存系統(tǒng)故障，大量的請(qǐng)求無(wú)法從緩存完成數(shù)據(jù)請(qǐng)求，就全量洶涌沖向磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)被打死，整個(gè)系統(tǒng)徹底崩潰。

3.2 緩存雪崩解決方案

造成緩存雪崩的主要原因是緩存系統(tǒng)不夠高可用，因此提高緩存系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性十分必要，比如對(duì)于使用Redis作為緩存的系統(tǒng)而言可以使用哨兵機(jī)制、集群化、持久化等來(lái)提高緩存系統(tǒng)的HA。

除了保證緩存系統(tǒng)的HA之外，服務(wù)本身也需要支持降級(jí)，可以借助比如Hystrix來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的熔斷、降級(jí)、限流來(lái)降低出現(xiàn)雪崩時(shí)的故障程度。

說(shuō)白了就是別讓服務(wù)徹底死掉就行，就像大雪封高速肯定不能通行了，堵車(chē)慢一些至少可以走。

3.3 緩存穿透問(wèn)題

穿透形象一點(diǎn)就是：請(qǐng)求過(guò)來(lái)了 轉(zhuǎn)了一圈 一無(wú)所獲 就像穿過(guò)透明地帶一樣。

在高并發(fā)系統(tǒng)中緩存穿透，如果一個(gè)req需要請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在緩存中沒(méi)有，這時(shí)業(yè)務(wù)線程就會(huì)訪問(wèn)磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，然而磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)也沒(méi)有這個(gè)數(shù)據(jù)，無(wú)奈業(yè)務(wù)線程只能白白處理一圈。

如果某時(shí)段有大量惡意的不存在的key的集中請(qǐng)求，那么服務(wù)將一直處理這些根本不存在的請(qǐng)求，導(dǎo)致正常請(qǐng)求無(wú)法被處理，從而出現(xiàn)問(wèn)題。

舉個(gè)栗子：

拉面館的服務(wù)員和廚師不允許拒絕已經(jīng)進(jìn)來(lái)的消費(fèi)者，但是拉面館的經(jīng)營(yíng)范圍有限。此時(shí)惡意消費(fèi)者點(diǎn)了一只5斤的澳洲龍蝦，經(jīng)過(guò)服務(wù)員和廚師都無(wú)法響應(yīng)這個(gè)需求，此時(shí)輪流來(lái)了1000個(gè)這樣的惡意消費(fèi)者，拉面館基本要歇菜了。

3.4 緩存穿透解決方案

有效甄別是否存在這個(gè)key再?zèng)Q定是否讀取很重要，常見(jiàn)的做法有：

把不存在的key寫(xiě)一下null，這樣再來(lái)就相當(dāng)于命中了，其實(shí)這種方法局限性很大，今天是5斤龍蝦，明天改成6斤的螃蟹，緩存系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)大量無(wú)用key本身是無(wú)意義的，所以一般不建議

另外一種思路，轉(zhuǎn)換為查找問(wèn)題，類(lèi)似于在海量數(shù)據(jù)中查找某個(gè)key是否存在，考慮空間復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度，一般選用布隆過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

布隆過(guò)濾器是個(gè)好東西，有非常多的用途，包括：垃圾郵件識(shí)別、搜索蜘蛛爬蟲(chóng)url去重等，主要借助K個(gè)哈希函數(shù)和一個(gè)超大的bit數(shù)組來(lái)降低哈希沖突本身帶來(lái)的誤判，從而提高識(shí)別準(zhǔn)確性。

布隆過(guò)濾器也存在一定的誤判，假如判斷存在可能不一定存在，但是假如判斷不存在就一定不存在，因此剛好用在解決緩存穿透的key查找場(chǎng)景，事實(shí)上很多系統(tǒng)都是基于布隆過(guò)濾器來(lái)解決緩存穿透問(wèn)題的。

3.5 緩存擊穿問(wèn)題

緩存擊穿是這樣一種情況：

由于緩存系統(tǒng)中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)都有過(guò)期時(shí)間，如果沒(méi)有過(guò)期時(shí)間就造成了主存和緩存的數(shù)據(jù)不一致，因此過(guò)期時(shí)間一般都不會(huì)太長(zhǎng)。

設(shè)想某時(shí)刻一批熱點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)在緩存系統(tǒng)中過(guò)期失效，那么這部分?jǐn)?shù)據(jù)就都將請(qǐng)求磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

從描述上來(lái)看有點(diǎn)像微小規(guī)模的雪崩，但是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力就很小了，只不過(guò)會(huì)影響并發(fā)性能，然而在多線程場(chǎng)景中緩存擊穿卻是經(jīng)常發(fā)生的，相反緩存穿透和雪崩頻率不如緩存擊穿，因此研究擊穿的現(xiàn)實(shí)意義更大一些。

3.6 緩存擊穿解決方案

可以采用的方案大概有幾種：

在設(shè)置熱點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)期時(shí)間時(shí)盡量分散，比如設(shè)置100ms的基礎(chǔ)值，在此基礎(chǔ)上正負(fù)浮動(dòng)10ms，從而降低相同時(shí)刻出現(xiàn)CacheMiss的key的數(shù)量。

另外一種做法是多線程加鎖，其中第一個(gè)線程發(fā)現(xiàn)CacheMiss之后進(jìn)行加鎖，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)獲取內(nèi)容之后寫(xiě)到緩存中，其他線程獲取鎖失敗則阻塞數(shù)ms之后再進(jìn)行緩存讀取，這樣可以降低訪問(wèn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的線程數(shù)，需要注意在單機(jī)和集群需要使用不同的鎖，集群環(huán)境使用分布式鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于鎖的存在也會(huì)影響并發(fā)效率。

一種方法是在業(yè)務(wù)層對(duì)使用的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)查看是否即將過(guò)期，如果即將過(guò)期則去數(shù)據(jù)庫(kù)獲取最新數(shù)據(jù)進(jìn)行更新并延長(zhǎng)該熱點(diǎn)key在緩存系統(tǒng)中的時(shí)間，從而避免后面的過(guò)期CacheMiss，相當(dāng)于把事情提前解決了。

緩存擊穿的解決方法都有一定的權(quán)衡，實(shí)際中根據(jù)自己的需求來(lái)解決。

緩存擊穿的影響一般來(lái)說(shuō)并不會(huì)太大，或許在你的服務(wù)跑了很久之后你才意識(shí)到會(huì)有緩存擊穿問(wèn)題。

4.小結(jié)

緩存系統(tǒng)無(wú)論在實(shí)際工作中還是在面試中都是熱點(diǎn)內(nèi)容，緩存系統(tǒng)目的是為了讓訪問(wèn)又準(zhǔn)又快，不要一味追求緩存命中率，緩存和主數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)一致性是需要重點(diǎn)考慮的。

總起來(lái)說(shuō)，如何在保證數(shù)據(jù)正確性的前提下提高緩存命中率就是核心問(wèn)題。