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工程中引入 Redis Client 二方包，初始化一個 Bean 實(shí)例 RedisTemplate ，一切搞定，so easy。

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如果是幾十、幾百并發(fā)的業(yè)務(wù)場景，緩存設(shè)計(jì)可能并不需要考慮那么多，但如果是億級的系統(tǒng)呢?

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緩存知識圖譜

首先，先了解緩存知識圖譜。

早期的緩存用于加速 CPU 數(shù)據(jù)交換的 RAM。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，緩存的應(yīng)用更加寬泛，用于數(shù)據(jù)高速交換的存儲介質(zhì)都稱之為緩存。

使用緩存時，我們要關(guān)注哪些指標(biāo)?緩存有哪些應(yīng)用模式?以及緩存設(shè)計(jì)時有哪些 Tip 技巧?

一圖勝千言，如下：

緩存七大經(jīng)典問題

緩存在使用過程不可避免會遇到一些問題，對于高頻的問題我們大概歸為了 7 類。具體內(nèi)容下面我們一一道來。

①緩存集中失效

當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)查詢數(shù)據(jù)時，首先會查詢緩存，如果緩存中數(shù)據(jù)不存在，然后查詢 DB 再將數(shù)據(jù)預(yù)熱到 Cache 中，并返回。緩存的性能比 DB 高 50~100 倍以上。

很多業(yè)務(wù)場景，如：秒殺商品、微博熱搜排行、或者一些活動數(shù)據(jù)，都是通過跑任務(wù)方式，將 DB 數(shù)據(jù)批量、集中預(yù)熱到緩存中，緩存數(shù)據(jù)有著近乎相同的過期時間。

當(dāng)過這批數(shù)據(jù)過期時，會一起過期，此時，對這批數(shù)據(jù)的所有請求，都會出現(xiàn)緩存失效，從而將壓力轉(zhuǎn)嫁到 DB，DB 的請求量激增，壓力變大，響應(yīng)開始變慢。

那么有沒有解呢?當(dāng)然有了。我們可以從緩存的過期時間入口，將原來的固定過期時間，調(diào)整為過期時間=基礎(chǔ)時間+隨機(jī)時間，讓緩存慢慢過期，避免瞬間全部過期，對 DB 產(chǎn)生過大壓力。

②緩存穿透

不是所有的請求都能查到數(shù)據(jù)，不論是從緩存中還是 DB 中。

假如黑客攻擊了一個論壇，用了一堆肉雞訪問一個不存的帖子 id。按照常規(guī)思路，每次都會先查緩存，緩存中沒有，接著又查 DB，同樣也沒有，此時不會預(yù)熱到 Cache 中，導(dǎo)致每次查詢，都會 cache miss。

由于 DB 的吞吐性能較差，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，甚至影響正常用戶的訪問。

解決方案如下：

• 方案一：查存 DB 時，如果數(shù)據(jù)不存在，預(yù)熱一個特殊空值到緩存中。這樣，后續(xù)查詢都會命中緩存，但是要對特殊值，解析處理。
• 方案二：構(gòu)造一個 BloomFilter 過濾器，初始化全量數(shù)據(jù)，當(dāng)接到請求時，在 BloomFilter 中判斷這個 key 是否存在，如果不存在，直接返回即可，無需再查詢緩存和 DB。

③緩存雪崩

緩存雪崩是指部分緩存節(jié)點(diǎn)不可用，進(jìn)而導(dǎo)致整個緩存體系甚至服務(wù)系統(tǒng)不可用的情況。

分布式緩存設(shè)計(jì)一般選擇一致性 Hash，當(dāng)有部分節(jié)點(diǎn)異常時，采用 rehash 策略，即把異常節(jié)點(diǎn)請求平均分散到其他緩存節(jié)點(diǎn)。

但是，當(dāng)較大的流量洪峰到來時，如果大流量 key 比較集中，正好在某 1～2 個緩存節(jié)點(diǎn)，很容易將這些緩存節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存、網(wǎng)卡過載，緩存節(jié)點(diǎn)異常 Crash。

然后這些異常節(jié)點(diǎn)下線，這些大流量 key 請求又被 rehash 到其他緩存節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致其他緩存節(jié)點(diǎn)也被過載 Crash，緩存異常持續(xù)擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個緩存體系異常，無法對外提供服務(wù)。

解決方案：

• 方案一：增加實(shí)時監(jiān)控，及時預(yù)警。通過機(jī)器替換、各種故障自動轉(zhuǎn)移策略，快速恢復(fù)緩存對外的服務(wù)能力
• 方案二：緩存增加多個副本，當(dāng)緩存異常時，再讀取其他緩存副本。為了保證副本的可用性，盡量將多個緩存副本部署在不同機(jī)架上，降低風(fēng)險(xiǎn)。

④緩存熱點(diǎn)

對于突發(fā)事件，大量用戶同時去訪問熱點(diǎn)信息，這個突發(fā)熱點(diǎn)信息所在的緩存節(jié)點(diǎn)就很容易出現(xiàn)過載和卡頓現(xiàn)象，甚至 Crash，我們稱之為緩存熱點(diǎn)。

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這個在新浪微博經(jīng)常遇到，某大 V 明星出軌、結(jié)婚、離婚，瞬間引發(fā)數(shù)百千萬的吃瓜群眾圍觀，訪問同一個 key，流量集中打在一個緩存節(jié)點(diǎn)機(jī)器，很容易打爆網(wǎng)卡、帶寬、CPU 的上限，最終導(dǎo)致緩存不可用。

解決方案：

• 首先能先找到這個熱 key 來，比如通過 Spark 實(shí)時流分析，及時發(fā)現(xiàn)新的熱點(diǎn) key。
• 將集中化流量打散，避免一個緩存節(jié)點(diǎn)過載。由于只有一個 key，我們可以在 key 的后面拼上有序編號，比如 key#01、key#02。。。key#10 多個副本，這些加工后的 key 位于多個緩存節(jié)點(diǎn)上。
• 每次請求時，客戶端隨機(jī)訪問一個即可。

可以設(shè)計(jì)一個緩存服務(wù)治理管理后臺，實(shí)時監(jiān)控緩存的 SLA，并打通分布式配置中心，對于一些 hot key 可以快速、動態(tài)擴(kuò)容。

⑤緩存大 Key

當(dāng)訪問緩存時，如果 key 對應(yīng)的 value 過大，讀寫、加載很容易超時，容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁堵。

另外緩存的字段較多時，每個字段的變更都會引發(fā)緩存數(shù)據(jù)的變更，頻繁的讀寫，導(dǎo)致慢查詢。

如果大 key 過期被緩存淘汰失效，預(yù)熱數(shù)據(jù)要花費(fèi)較多的時間，也會導(dǎo)致慢查詢。

所以我們在設(shè)計(jì)緩存的時候，要注意緩存的粒度，既不能過大，如果過大很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵;也不能過小，如果太小，查詢頻率會很高，每次請求都要查詢多次。

解決方案：

• 方案一：設(shè)置一個閾值，當(dāng) value 的長度超過閾值時，對內(nèi)容啟動壓縮，降低 kv 的大小。
• 方案二：評估大 key 所占的比例，由于很多框架采用池化技術(shù)，如：Memcache，可以預(yù)先分配大對象空間。真正業(yè)務(wù)請求時，直接拿來即用。
• 方案三：顆粒劃分，將大 key 拆分為多個小 key，獨(dú)立維護(hù)，成本會降低不少。
• 方案四：大 key 要設(shè)置合理的過期時間，盡量不淘汰那些大 key。

⑥緩存數(shù)據(jù)一致性

緩存是用來加速的，一般不會持久化儲存。所以，一份數(shù)據(jù)通常會存在 DB 和緩存中，由此會帶來一個問題，如何保證這兩者的數(shù)據(jù)一致性。另外，緩存熱點(diǎn)問題會引入多個副本備份，也可能會發(fā)生不一致現(xiàn)象。

解決方案：

方案一：當(dāng)緩存更新失敗后，進(jìn)行重試，如果重試失敗，將失敗的 key 寫入 MQ 消息隊(duì)列，通過異步任務(wù)補(bǔ)償緩存，保證數(shù)據(jù)的一致性。

方案二：設(shè)置一個較短的過期時間，通過自修復(fù)的方式，在緩存過期后，緩存重新加載最新的數(shù)據(jù)。

⑦數(shù)據(jù)并發(fā)競爭預(yù)熱

互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)典型的特點(diǎn)就是流量大，一旦緩存中的數(shù)據(jù)過期、或因某些原因被刪除等，導(dǎo)致緩存中的數(shù)據(jù)為空，大量的并發(fā)線程請求(查詢同一個 key)就會一起并發(fā)查詢數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的壓力陡然增加。

如果請求量非常大，全部壓在數(shù)據(jù)庫，可能把數(shù)據(jù)庫壓垮，進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的服務(wù)不可用。

解決方案：

方案一：引入一把全局鎖，當(dāng)緩存未命中時，先嘗試獲取全局鎖，如果拿到鎖，才有資格去查詢 DB，并將數(shù)據(jù)預(yù)熱到緩存中。

雖然，client 端發(fā)起的請求非常多，但是由于拿不到鎖，只能處于等待狀態(tài)，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)預(yù)熱成功后，再從緩存中獲取。

為了便于理解，簡單畫了個流程圖。這里面特別注意一個點(diǎn)，由于有一個并發(fā)時間差，所以會有一個二次 check 緩存是否有值的校驗(yàn)，防止緩存預(yù)熱重復(fù)覆蓋。

方案二：緩存數(shù)據(jù)創(chuàng)建多個備份，當(dāng)一個過期失效后，可以訪問其他備份。

寫在最后

緩存設(shè)計(jì)時，有很多技巧，優(yōu)化手段也是千變?nèi)f化，但是我們要抓住核心要素。那就是，讓訪問盡量命中緩存，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。

作者：TomGE

簡介：前阿里架構(gòu)師，出過專利，競賽拿過獎，，負(fù)責(zé)過電商交易、社區(qū)、營銷、金融等業(yè)務(wù)，多年團(tuán)隊(duì)管理經(jīng)驗(yàn)。

編輯：陶家龍

出處：轉(zhuǎn)載自公眾號微觀技術(shù)(ID：weiguanjishu)