html5网站提示,wordpress图文发布,网站建设价格多少,网站建设属于行政那个模块Redis作为一种高性能的key-value数据库#xff0c;广泛应用于缓存、消息队列、排行榜等场景。然而#xff0c;在实际应用中#xff0c;随着业务规模的不断扩大和访问量的持续增长#xff0c;缓存系统也面临着诸多挑战#xff0c;其中最为典型的便是缓存穿透、缓存击穿和缓… Redis作为一种高性能的key-value数据库广泛应用于缓存、消息队列、排行榜等场景。然而在实际应用中随着业务规模的不断扩大和访问量的持续增长缓存系统也面临着诸多挑战其中最为典型的便是缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩三大问题。本文将深入探讨这三大问题的成因、表现以及相应的解决方案并结合实际案例和最佳实践为开发者提供全面的指导。
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一、缓存穿透
1.1 定义与成因 缓存穿透Cache Penetration是指查询一个数据库中不存在的数据由于缓存是不命中时被动写的并且出于容错考虑如果从存储层查不到数据则不写入缓存这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询失去了缓存的意义。简而言之就是缓存没有起到应有的作用用户查询的数据在缓存和数据库中都不存在而大量的这类查询请求会直接打到数据库上造成数据库压力增大甚至可能引发数据库宕机。 缓存穿透的成因主要有以下几点
恶意攻击攻击者故意构造大量不存在的数据查询请求以消耗系统资源达到攻击目的。用户误操作用户在输入查询条件时由于输入错误或系统错误导致查询的数据不存在。数据天然不存在在某些业务场景下查询的数据可能确实不存在于数据库中比如用户查询的商品编号已经下架或从未上架。
1.2 解决方案
1.2.1 缓存空对象或缺省值 缓存空对象或缺省值是一种常见的解决方案。当查询一个不存在的数据时将其结果空对象或缺省值缓存起来并设置较短的过期时间。这样当后续的查询请求再次访问这个不存在的数据时就可以直接从缓存中获取结果而无需再去查询数据库。这种方法虽然简单有效但需要注意以下几点
合理设置过期时间过期时间不宜过长以免无效数据长期占用缓存空间。注意缓存的空间大小如果大量不存在的数据被缓存可能会占用过多的缓存空间影响其他正常数据的缓存效果。区分业务场景在某些业务场景下即使数据不存在也可能有特殊的处理逻辑因此需要仔细区分并处理。
实现步骤
当查询数据库返回结果为空时将空对象或缺省值以特定的 key 缓存起来并设置较短的过期时间。
优点
实现简单能够快速部署。能够有效减少数据库查询压力。
缺点
需要缓存层提供更多的内存空间来存储空值或缺省值。如果空值或缺省值过多会浪费缓存资源。
1.2.2 布隆过滤器 布隆过滤器Bloom Filter是一种空间效率很高的概率型数据结构用于判断一个元素是否在一个集合中。它允许存在一定的误判率但不存在漏判率。通过将所有可能存在的数据通过哈希函数映射到一个足够大的位数组中布隆过滤器可以快速地判断一个元素是否可能存在。 在缓存穿透的场景中可以在查询缓存之前先使用布隆过滤器判断数据是否存在。如果布隆过滤器判断数据不存在则直接返回结果避免查询数据库。这种方法可以显著降低对数据库的查询压力但需要注意以下几点
误判率布隆过滤器存在误判率即有可能将不存在的数据误判为存在。因此在设计时需要合理设置布隆过滤器的参数以平衡误判率和空间效率。更新与同步当数据库中的数据发生变化时如新增、删除等需要及时更新布隆过滤器中的位数组以保证数据的准确性。适用场景布隆过滤器适用于数据量大、允许一定误判率的场景。对于对数据准确性要求极高的场景可能需要考虑其他解决方案。
实现步骤
将所有可能存在的数据key添加到布隆过滤器中。在查询缓存之前先通过布隆过滤器判断key是否存在。如果布隆过滤器判断key不存在则直接返回空值或错误信息不再查询缓存和数据库。
优点
过滤效率高能够显著减少数据库查询压力。占用空间小适合大规模数据场景。
缺点
存在误判率即可能将存在的数据误判为不存在。代码维护较为复杂需要维护布隆过滤器的更新和同步。删除困难无法直接从布隆过滤器中删除元素。
1.2.3 监控与限流 除了上述技术手段外还可以通过监控和限流来应对缓存穿透。通过监控接口的访问频率和请求参数可以及时发现并处理恶意攻击或异常请求。同时设置合理的限流策略如令牌桶算法、漏桶算法等可以对请求进行限流和降级处理以保护系统整体稳定性。
实现方式
使用Redis的INCR命令记录每个IP或用户的访问次数。当访问次数超过阈值时进行限流或封禁处理。
优点
能够有效防止恶意攻击。实现简单易于部署。
缺点
可能误伤正常用户。需要根据业务场景合理设置访问次数阈值。
二、缓存击穿
2.1 定义与成因 缓存击穿Cache Breakdown是指缓存中没有但数据库中有的数据一般是缓存时间到期这时由于并发用户特别多同时读缓存没读到数据又同时去数据库去取数据引起数据库压力瞬间增大造成过大压力。与缓存穿透不同的是缓存击穿针对的是某个热点数据的缓存过期或失效问题。 缓存击穿的成因主要有以下几点
热点数据缓存过期热点数据的缓存过期后大量请求同时访问数据库导致数据库压力增大。缓存失效策略不当如果缓存的失效策略设置不当如统一设置较短的过期时间可能会导致大量数据同时失效从而引发缓存击穿。数据库压力测试不足在系统设计时如果没有充分考虑数据库的压力测试可能会导致在缓存失效后数据库无法承受高并发访问。
2.2 解决方案
2.2.1 设置热点数据永不过期 对于热点数据可以设置较长的过期时间或永不过期以减少缓存失效的概率。这种方法虽然简单但需要注意以下几点
数据更新问题如果热点数据需要频繁更新那么永不过期可能会导致数据不一致的问题。因此需要根据业务场景合理设置过期时间。缓存空间占用永不过期的数据会长期占用缓存空间影响其他数据的缓存效果。因此需要合理规划缓存空间的使用。
实现步骤
在缓存设置时对于热点数据不设置过期时间物理不过期或者在数据结构中为每个热点数据项设置一个逻辑过期时间字段。当业务逻辑判断数据需要更新时如根据数据更新时间戳或其他业务规则通过异步线程或后台任务来更新数据并同时更新逻辑过期时间字段。
优点
能够有效避免缓存击穿问题。实现简单易于维护。
缺点
需要消耗更多的缓存资源。可能导致缓存数据与实际数据不一致。
2.2.2 使用互斥锁 在查询数据库前先使用互斥锁进行加锁确保只有一个线程能够查询数据库并更新缓存其他线程则等待或返回默认值。这种方法可以有效避免多个线程同时查询数据库导致的问题但需要注意以下几点
锁的性能问题互斥锁会引入额外的性能开销特别是在高并发场景下。因此需要合理选择锁的实现方式和粒度。死锁问题在使用互斥锁时需要注意避免出现死锁的情况。可以通过设置锁的超时时间、使用可重入锁等方式来避免死锁。
实现步骤 在查询数据库前使用互斥锁对相关操作进行加锁。可以使用编程语言提供的互斥锁机制如 Java 中的 synchronized 关键字或 ReentrantLock 类。当一个线程获取到锁后其他线程将被阻塞。获取锁的线程查询数据库获取数据然后将数据更新到缓存中并释放锁。其他被阻塞的线程在锁释放后可以重新尝试获取数据如果缓存中已经有数据则直接返回如果缓存中仍然没有数据则再次尝试获取锁并查询数据库。 优点
思路比较简单。能够较好地降低后端存储负载并在一致性上做得比较好。
缺点
如果在查询数据库和重建缓存key 失效后进行了大量的计算时间过长也可能会存在死锁和线程池阻塞的风险。在高并发情景下吞吐量会大大降低。
2.2.3 分布式锁 在多机部署的环境中需要使用分布式锁来控制缓存的更新。分布式锁可以保证在多台服务器之间同步锁的状态从而避免多个线程或进程同时查询数据库导致的问题。Redisson等分布式锁工具提供了丰富的功能和良好的性能表现是实现分布式锁的一种常用方式。
实现步骤
使用Redis的SETNX或Redisson等分布式锁实现方式。在查询数据库之前先尝试获取锁。如果获取到锁则查询数据库并更新缓存如果未获取到锁则等待一段时间后重试或返回空值。
优点
能够有效避免缓存击穿问题。适用于高并发场景。
缺点
增加了系统的复杂性和延迟。需要合理设置锁的过期时间和重试机制。
三、缓存雪崩
3.1 定义与成因
缓存雪崩Cache Avalanche是指缓存中数据大批量到过期时间而查询数据量巨大引起数据库压力过大甚至down机。和缓存击穿不同的是缓存击穿是一个热点key过期而缓存雪崩则是大量的key同时过期。当大量缓存数据在同一时间失效时如果有大量请求访问这些数据那么这些请求就会直接打到数据库上导致数据库压力瞬间增大甚至可能引发数据库宕机。
缓存雪崩的成因主要有以下几点
缓存过期时间设置不当如果大量缓存数据的过期时间设置得过于集中如统一设置为某个时间点的整点过期就可能导致缓存雪崩。缓存数据依赖性强在某些业务场景中缓存数据之间存在较强的依赖性。当某个关键数据失效时可能会引发一系列相关数据的失效和重新加载。数据库压力大在缓存失效后如果数据库无法承受高并发访问的压力就可能导致数据库宕机或性能下降。
3.2 解决方案
3.2.1 数据预热
在系统上线前或低峰期预先将热点数据加载到缓存中避免在系统启动时或高峰期大量请求直接打到数据库。数据预热可以显著减少缓存失效后对数据库的访问压力提高系统的整体性能。
实现步骤
在系统上线前或低峰期分析业务数据的访问频率和重要性确定需要预热的热点数据。这些数据通常是在高并发情况下经常被访问的数据如首页展示数据、热门商品信息等。将确定的热点数据从数据库中加载出来并存储到缓存中。可以使用批量加载的方式提高效率例如使用数据库的查询语句一次性获取多条数据然后将这些数据批量存储到缓存中。
优点
提前加载数据到缓存避免在高并发时大量请求直接访问数据库。
缺点
需要手动触发和管理对于动态数据可能不太适用。
3.2.2 随机过期时间
在设置缓存过期时间时为不同的key设置不同的过期时间避免大量key同时过期。可以通过在固定过期时间的基础上加上一个随机时间差来实现这一点。例如可以将缓存的过期时间设置为“固定时间 随机秒数”的形式。这样可以有效分散缓存失效的时间点降低缓存雪崩的风险。
优点
有效分散缓存失效的时间点降低缓存雪崩的风险。
缺点
如果随机范围过大可能会影响缓存数据的时效性。
3.2.3 熔断降级
在缓存失效或数据库压力过大时使用熔断降级策略来保护系统整体稳定性。熔断降级可以在系统面临过载风险时自动触发通过暂时停止缓存服务或返回降级信息等方式来减少对数据库的访问压力。同时还可以根据系统的负载情况动态调整熔断降级的阈值和恢复策略。
实现步骤
根据系统的性能和业务需求设置熔断降级的阈值和策略。阈值可以包括数据库的负载指标如每秒查询次数、响应时间等和缓存的相关指标如命中率、过期率等。策略可以包括停止缓存服务、返回降级信息如默认值、提示信息等、限制请求流量等。实时监控系统的性能指标当达到熔断降级的阈值时自动触发相应的策略。可以使用监控工具如 Prometheus、Grafana 等来实现对系统指标的实时监控。根据系统的负载情况动态调整熔断降级的阈值和恢复策略。例如当系统负载降低时可以适当提高阈值恢复部分缓存服务或放宽请求流量限制。
优点
保护系统整体稳定性。
缺点
业务功能可能受影响当触发熔断降级时可能会停止部分缓存服务或返回不准确的信息这可能会对业务功能产生一定影响例如用户可能会看到不准确的页面内容或无法正常使用某些功能。配置和维护复杂需要合理设置熔断降级的阈值和恢复工作策略这需要对系统的性能和业务负载有深入的了解并且在系统运行过程中可能需要不断调整和优化增加了配置和维护的复杂性。
3.2.4 监控与预警
建立完善的监控和预警机制是应对缓存雪崩的重要手段之一。通过实时监控缓存和数据库的负载情况、查询频率、响应时间等关键指标可以及时发现并处理潜在的缓存雪崩风险。同时还可以设置预警阈值和报警规则以便在系统出现异常时及时通知相关人员进行处理。
实现步骤
建立完善的监控系统实时监控缓存和数据库的负载情况、查询频率、响应时间等关键指标。可以使用监控工具如 Prometheus、Grafana 等来实现对系统指标的实时监控。根据系统的性能和业务需求设置预警阈值和报警规则。阈值可以包括数据库的负载指标如每秒查询次数、响应时间等和缓存的相关指标如命中率、过期率等。报警规则可以包括邮件通知、短信通知、系统内消息通知等方式当指标超过阈值时按照报警规则进行通知。
优点
及时发现风险通过实时监控缓存和数据库的关键指标可以快速发现潜在的缓存雪崩风险为及时采取措施提供依据。主动预防设置预警阈值和报警规则后一旦出现异常情况能及时通知相关人员进行处理使运维人员能够在问题恶化之前采取措施起到主动预防的作用。
缺点
资源消耗监控需要消耗一定的系统资源包括 CPU、内存和网络带宽等如果监控的指标过多或频率过高可能会对系统性能产生一定影响。依赖人工处理虽然能够及时发现问题并报警但最终的处理还是依赖人工操作如果相关人员未能及时响应报警信息可能无法有效避免缓存雪崩的发生。 四、综合对比与选择
4.1 方案对比
问题解决方案优点缺点缓存穿透缓存空对象或缺省值简单快速减少数据库压力需更多缓存空间空值过多浪费资源布隆过滤器过滤效率高空间小存在误判率维护复杂删除困难监控与限流防止恶意攻击简单易部署可能误伤用户需合理设阈值缓存击穿设置热点数据永不过期简单有效避免击穿消耗更多缓存可能数据不一致使用互斥锁思路简单降负载保一致性能开销大可能死锁高并发吞吐量低分布式锁有效避免击穿适用于高并发增加复杂性和延迟需合理设参数缓存雪崩数据预热提前加载数据减少数据库压力需手动触发管理不适用于动态数据随机过期时间分散失效时间点降低风险随机范围过大可能影响时效性熔断降级保护系统稳定性业务功能可能受影响配置和维护复杂监控与预警及时发现风险主动预防资源消耗依赖人工处理 4.2 选择依据
在实际应用中选择合适的解决方案需要综合考虑多个因素
业务场景特点 如果业务对数据准确性要求极高对于缓存穿透问题应避免使用布隆过滤器这种存在误判率的方案对于缓存击穿问题如果热点数据更新频繁则不宜设置永不过期。如果业务中存在大量热点数据且并发量高对于缓存击穿问题可能更倾向于分布式锁方案对于缓存雪崩问题数据预热和随机过期时间设置可能更为重要。系统性能要求 如果系统对性能要求极高对于缓存穿透问题的缓存空对象方案可能需要谨慎使用因为可能占用过多缓存空间影响性能对于缓存击穿问题互斥锁和分布式锁的性能开销需要考虑可能需要根据并发量等因素进行优化。对于缓存雪崩问题熔断降级和监控预警机制可以在一定程度上保障系统性能避免数据库因大量请求而崩溃。维护成本和复杂性 布隆过滤器和分布式锁的维护相对复杂需要考虑是否有足够的技术能力和资源进行维护。如果维护成本过高对于缓存穿透和缓存击穿问题可能需要选择其他相对简单的方案。对于缓存雪崩问题数据预热虽然能有效解决问题但手动触发和管理的方式可能增加维护成本需要根据实际情况权衡。
五、总结 缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩是缓存系统中常见的三大问题。它们不仅会影响系统的性能和稳定性还可能对业务造成严重的损失。因此在设计和实现缓存系统时需要充分考虑这些问题并采取相应的解决方案。本文深入探讨了缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩的成因、表现以及解决方案并结合实际案例和最佳实践为开发者提供了全面的指导。 参考链接
缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩的理解和解决方案[通俗易懂]-腾讯云开发者社区-腾讯云
【Redis】缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩原理以及多种解决方案_redis血崩和穿透-CSDN博客
redis布隆过滤器Bloom详细使用教程_布隆过滤器使用-CSDN博客
Redis分布式锁-这一篇全了解(Redission实现分布式锁完美方案)-CSDN博客
不用背八股文一文搞懂redis缓存击穿、穿透、雪崩-腾讯云开发者社区-腾讯云
【面试】redis缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩区别和解决方案-CSDN博客
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一文彻底分清缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩问题(含记忆技巧)-CSDN博客
