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图解Redis缓存穿透、击穿、雪崩（必须知道）_图解缓存穿透

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-04-30 18:10:39

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图解缓存穿透

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一、缓存是什么？

缓存就是数据交换的缓存区，是存储数据的地方，一般读写性能较高。
在这里插入图片描述

二、缓存的作用和成本

1、缓存的作用：

  1. 降低后端负载
  2. 提高读写效率，降低响应时间

2、缓存的成本：

  1. 数据一致性成本
  2. 代码维护成本
  3. 运维成本

三、缓存作用模型

在这里插入图片描述

1、根据id查询数据缓存流程

在这里插入图片描述

四、缓存更新策略

1、内存淘汰

Redis的内存淘汰机制，当内存不足时自动淘汰部分数据，下次查询时更新缓存。

2、超时剔除

当缓存数据设置TTL时间，到期后自动删除缓存，下次查询时更新缓存。

3、主动更新

编写业务逻辑，在修改数据库的同时，更新缓存。

五、缓存穿透

缓存穿透是指客户端请求的数据在Redis和数据库中都不存在，这样就无法进行缓存，这些请求都会打到数据库。

解决方法：

1、缓存空对象

对不存在的数据也在Redis中建立缓存，值为空，并设置一个较短的TTL时间。

  • 优点：实现简单，维护方便；
  • 缺点：额外的内存消耗，可能造成短期的数据不一致；

2、布隆过滤器

利用布隆过滤算法，在请求进入Redis之前，先判断是否存在，如果不存在则直接拒绝访问。

  • 优点：内存占用小
  • 缺点：① 实现复杂；② 存在误判的可能；

六、缓存雪崩

缓存雪崩是指同一时间段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机，导致大量请求打到数据库，带来巨大压力。

解决方式：

  1. 给不同的key的TTL添加随机值；
  2. 利用Redis集群提高服务的可用性；
  3. 给缓存添加降级限流策略；
  4. 给业务添加多级缓存；

七、缓存击穿

缓存击穿也叫热点key问题，就是一个被高并发访问并且缓存重建业务较复杂的key失效了，无数的请求访问会在瞬间打到数据库，带来巨大压力。

1、通过互斥锁解决缓存击穿

给缓存重建过程加锁，确保重建过程只有一个线程执行，其它线程等待。

互斥锁的最大问题是，线程等待问题，性能较差。
在这里插入图片描述

2、根据id查询商品信息，基于互斥锁解决缓存击穿问题

在这里插入图片描述

3、通过逻辑过期解决缓存击穿

逻辑过期的优点是性能好，缺点是不保证一致性，有额外的内存消耗，实现复杂。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

八、Redis工具类

  1. // 解决缓存穿透
  2. Goods goods = cacheClient.queryWithPassThrough(CACHE_GOODS_KEY, id, Goods.class, this::getById, CACHE_GOODS_TTL, TimeUnit.MINUTES);
  3.  
  4. // 互斥锁解决缓存击穿
  5. Goods goods = cacheClient.queryWithMutex(CACHE_GOODS_KEY, id, Goods.class, this::getById, CACHE_GOODS_TTL, TimeUnit.MINUTES);
  6.  
  7. // 逻辑过期解决缓存击穿
  8. Goods goods = cacheClient.queryWithLogicalExpire(CACHE_GOODS_KEY, id, Goods.class, this::getById, 20L, TimeUnit.SECONDS);
  9. package com.guor.utils;
  10.  
  11. import cn.hutool.core.util.BooleanUtil;
  12. import cn.hutool.core.util.StrUtil;
  13. import cn.hutool.json.JSONObject;
  14. import cn.hutool.json.JSONUtil;
  15. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  16. import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
  17. import org.springframework.stereotype.Component;
  18.  
  19. import java.time.LocalDateTime;
  20. import java.util.concurrent.ExecutorService;
  21. import java.util.concurrent.Executors;
  22. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  23. import java.util.function.Function;
  24.  
  25. @Slf4j
  26. @Component
  27. public class CacheClient {
  28.  
  29.     private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
  30.  
  31.     private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
  32.  
  33.     public CacheClient(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
  34.         this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
  35.     }
  36.  
  37.     public void set(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
  38.         stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(value), time, unit);
  39.     }
  40.  
  41.     public void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
  42.         // 设置逻辑过期
  43.         RedisData redisData = new RedisData();
  44.         redisData.setData(value);
  45.         redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(unit.toSeconds(time)));
  46.         // 写入Redis
  47.         stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(redisData));
  48.     }
  49.  
  50.     public <R,ID> R queryWithPassThrough(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit){
  51.         String key = keyPrefix + id;
  52.         // 1.从redis查询商铺缓存
  53.         String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
  54.         // 2.判断是否存在
  55.         if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
  56.             // 3.存在，直接返回
  57.             return JSONUtil.toBean(json, type);
  58.         }
  59.         // 判断命中的是否是空值
  60.         if (json != null) {
  61.             // 返回一个错误信息
  62.             return null;
  63.         }
  64.  
  65.         // 4.不存在，根据id查询数据库
  66.         R r = dbFallback.apply(id);
  67.         // 5.不存在，返回错误
  68.         if (r == null) {
  69.             // 将空值写入redis
  70.             stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", RedisConfig.CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
  71.             // 返回错误信息
  72.             return null;
  73.         }
  74.         // 6.存在，写入redis
  75.         this.set(key, r, time, unit);
  76.         return r;
  77.     }
  78.  
  79.     public <R, ID> R queryWithLogicalExpire(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
  80.         String key = keyPrefix + id;
  81.         // 1.从redis查询商铺缓存
  82.         String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
  83.         // 2.判断是否存在
  84.         if (StrUtil.isBlank(json)) {
  85.             // 3.存在，直接返回
  86.             return null;
  87.         }
  88.         // 4.命中，需要先把json反序列化为对象
  89.         RedisData redisData = JSONUtil.toBean(json, RedisData.class);
  90.         R r = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), type);
  91.         LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
  92.         // 5.判断是否过期
  93.         if(expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
  94.             // 5.1.未过期，直接返回店铺信息
  95.             return r;
  96.         }
  97.         // 5.2.已过期，需要缓存重建
  98.         // 6.缓存重建
  99.         // 6.1.获取互斥锁
  100.         String lockKey = RedisConfig.LOCK_GOODS_KEY + id;
  101.         boolean isLock = tryLock(lockKey);
  102.         // 6.2.判断是否获取锁成功
  103.         if (isLock){
  104.             // 6.3.成功，开启独立线程，实现缓存重建
  105.             CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
  106.                 try {
  107.                     // 查询数据库
  108.                     R newR = dbFallback.apply(id);
  109.                     // 重建缓存
  110.                     this.setWithLogicalExpire(key, newR, time, unit);
  111.                 } catch (Exception e) {
  112.                     throw new RuntimeException(e);
  113.                 }finally {
  114.                     // 释放锁
  115.                     unlock(lockKey);
  116.                 }
  117.             });
  118.         }
  119.         // 6.4.返回过期的商铺信息
  120.         return r;
  121.     }
  122.  
  123.     public <R, ID> R queryWithMutex(String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
  124.         String key = keyPrefix + id;
  125.         // 1.从redis查询商铺缓存
  126.         String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
  127.         // 2.判断是否存在
  128.         if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
  129.             // 3.存在，直接返回
  130.             return JSONUtil.toBean(json, type);
  131.         }
  132.         // 判断命中的是否是空值
  133.         if (json != null) {
  134.             // 返回一个错误信息
  135.             return null;
  136.         }
  137.  
  138.         // 4.实现缓存重建
  139.         // 4.1.获取互斥锁
  140.         String lockKey = RedisConfig.LOCK_GOODS_KEY + id;
  141.         R r = null;
  142.         try {
  143.             boolean isLock = tryLock(lockKey);
  144.             // 4.2.判断是否获取成功
  145.             if (!isLock) {
  146.                 // 4.3.获取锁失败，休眠并重试
  147.                 Thread.sleep(50);
  148.                 return queryWithMutex(keyPrefix, id, type, dbFallback, time, unit);
  149.             }
  150.             // 4.4.获取锁成功，根据id查询数据库
  151.             r = dbFallback.apply(id);
  152.             // 5.不存在，返回错误
  153.             if (r == null) {
  154.                 // 将空值写入redis
  155.                 stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", RedisConfig.CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
  156.                 // 返回错误信息
  157.                 return null;
  158.             }
  159.             // 6.存在，写入redis
  160.             this.set(key, r, time, unit);
  161.         } catch (InterruptedException e) {
  162.             throw new RuntimeException(e);
  163.         }finally {
  164.             // 7.释放锁
  165.             unlock(lockKey);
  166.         }
  167.         // 8.返回
  168.         return r;
  169.     }
  170.  
  171.     private boolean tryLock(String key) {
  172.         Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);
  173.         return BooleanUtil.isTrue(flag);
  174.     }
  175.  
  176.     private void unlock(String key) {
  177.         stringRedisTemplate.delete(key);
  178.     }
  179. }

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