Redis作為一個(gè)高性能的內(nèi)存中的key-value數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)，在我們?nèi)粘ｉ_(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用于緩存、計(jì)數(shù)器、消息隊(duì)列、排行榜等場(chǎng)景中，尤其是作為最常用的緩存方式，在提高數(shù)據(jù)查詢效率、保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)等方面起到了不可磨滅的作用，但實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)一些Redis緩存異常的情況，本文主要對(duì)Redis緩存異常及處理方案進(jìn)行了總結(jié)。

1. 背景

Redis是一個(gè)完全開(kāi)源的、遵守BSD協(xié)議的、高性能的key-value數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化，可以將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)保存在磁盤中，而且不僅僅支持簡(jiǎn)單的key-value類型的數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供list，set，zset，hash等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)，功能十分強(qiáng)大，Redis還支持?jǐn)?shù)據(jù)的備份，即master-slave模式的數(shù)據(jù)備份，從而提高可用性。當(dāng)然最重要的還是讀寫(xiě)速度快，作為我們平常開(kāi)發(fā)中最常用的緩存方案被廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，它會(huì)存在緩存雪崩、緩存擊穿和緩存穿透等異常情況，如果忽視這些情況可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，下面主要對(duì)這些緩存異常和常見(jiàn)處理方案進(jìn)行相應(yīng)分析與總結(jié)。

2. 緩存雪崩

(1) 是什么

一段時(shí)間內(nèi)本應(yīng)在redis緩存中處理的大量請(qǐng)求，都發(fā)送到了數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理，導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力迅速增大，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)崩潰，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，就像雪崩一樣，引發(fā)連鎖效應(yīng)，所以叫緩存雪崩。

(2) 為什么

出現(xiàn)上述情況的常見(jiàn)原因主要有以下兩點(diǎn)：

• 大量緩存數(shù)據(jù)同時(shí)過(guò)期，導(dǎo)致本應(yīng)請(qǐng)求到緩存的需重新從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)。
• redis本身出現(xiàn)故障，無(wú)法處理請(qǐng)求，那自然會(huì)再請(qǐng)求到數(shù)據(jù)庫(kù)那里。

(3) 怎么辦

針對(duì)大量緩存數(shù)據(jù)同時(shí)過(guò)期的情況：

• 實(shí)際設(shè)置過(guò)期時(shí)間時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免大量key同時(shí)過(guò)期的場(chǎng)景，如果真的有，那就通過(guò)隨機(jī)、微調(diào)、均勻設(shè)置等方式設(shè)置過(guò)期時(shí)間，從而避免同一時(shí)間過(guò)期。
• 添加互斥鎖，使得構(gòu)建緩存的操作不會(huì)在同一時(shí)間進(jìn)行。
• 雙key策略，主key是原始緩存，備key為拷貝緩存，主key失效時(shí)，可以訪問(wèn)備key，主key緩存失效時(shí)間設(shè)置為短期，備key設(shè)置為長(zhǎng)期。
• 后臺(tái)更新緩存策略，采用定時(shí)任務(wù)或者消息隊(duì)列的方式進(jìn)行redis緩存更新或移除等。

針對(duì)redis本身出現(xiàn)故障的情況：

• 在預(yù)防層面，可以通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)的方式構(gòu)建高可用的集群，也就是實(shí)現(xiàn)主Redis實(shí)例掛掉后，能有其他從庫(kù)快速切換為主庫(kù)，繼續(xù)提供服務(wù)。
• 如果事情已經(jīng)發(fā)生了，那就要為了防止數(shù)據(jù)庫(kù)被大量的請(qǐng)求搞崩潰，可以采用服務(wù)熔斷或者請(qǐng)求限流的方法。當(dāng)然服務(wù)熔斷相對(duì)粗暴一些，停止服務(wù)直到redis服務(wù)恢復(fù)，請(qǐng)求限流相對(duì)溫和一些，保證一些請(qǐng)求可以處理，不是一刀切，不過(guò)還是看具體業(yè)務(wù)情況選擇合適的處理方案。

3. 緩存擊穿

(1) 是什么

緩存擊穿一般出現(xiàn)在高并發(fā)系統(tǒng)中，是大量并發(fā)用戶同時(shí)請(qǐng)求到緩存中沒(méi)有但數(shù)據(jù)庫(kù)中有的數(shù)據(jù)，也就是同時(shí)讀緩存沒(méi)讀到數(shù)據(jù)，又同時(shí)去數(shù)據(jù)庫(kù)去取數(shù)據(jù)，引起數(shù)據(jù)庫(kù)壓力瞬間增大。和緩存雪崩不同的是，緩存擊穿指并發(fā)查同一條數(shù)據(jù)，緩存雪崩是不同數(shù)據(jù)都過(guò)期了，很多數(shù)據(jù)都查不到從而查數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2) 為什么

這種情況其實(shí)一般出現(xiàn)的原因就是某個(gè)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存過(guò)期，由于是熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)求并發(fā)量又大，所以過(guò)期的時(shí)候還是會(huì)有大量請(qǐng)求同時(shí)過(guò)來(lái)，來(lái)不及更新緩存就全部打到數(shù)據(jù)庫(kù)那邊了。

(3) 怎么辦

針對(duì)這種情況有兩種常見(jiàn)的處理方案：

• 簡(jiǎn)單粗暴的對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)不設(shè)置過(guò)期時(shí)間，這樣不會(huì)過(guò)期，自然也就不會(huì)出現(xiàn)上述情況了，如果后續(xù)想清理，可以通過(guò)后臺(tái)進(jìn)行清理。
• 添加互斥鎖，即當(dāng)過(guò)期之后，除了請(qǐng)求過(guò)來(lái)的第一個(gè)查詢的請(qǐng)求可以獲取到鎖請(qǐng)求到數(shù)據(jù)庫(kù)，并再次更新到緩存中，其他的會(huì)被阻塞住，直到鎖被釋放，同時(shí)新的緩存也被更新上去了，后續(xù)請(qǐng)求又會(huì)請(qǐng)求到緩存上，這樣就不會(huì)出現(xiàn)緩存擊穿了。

4. 緩存穿透

(1) 是什么

緩存穿透是指數(shù)據(jù)既不在redis中，也不在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣就導(dǎo)致每次請(qǐng)求過(guò)來(lái)的時(shí)候，在緩存中找不到對(duì)應(yīng)key之后，每次都還要去數(shù)據(jù)庫(kù)再查詢一遍，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)也沒(méi)有，相當(dāng)于進(jìn)行了兩次無(wú)用的查詢。這樣請(qǐng)求就可以繞過(guò)緩存直接查數(shù)據(jù)庫(kù)，如果這個(gè)時(shí)候有人想惡意攻擊系統(tǒng)，就可以故意使用空值或者其他不存在的值進(jìn)行頻繁請(qǐng)求，那么就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)造成比較大的壓力。

(2) 為什么

這種現(xiàn)象的原因其實(shí)很好理解，業(yè)務(wù)邏輯里面如果用戶對(duì)某些信息還沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的操作或者處理，那對(duì)應(yīng)的存放信息的數(shù)據(jù)庫(kù)或者緩存中自然也就沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，也就容易出現(xiàn)上述問(wèn)題。

(3) 怎么辦

針對(duì)緩存穿透，一般有以下三種處理方案：

• 非法請(qǐng)求的限制，主要是指參數(shù)校驗(yàn)、鑒權(quán)校驗(yàn)等，從而一開(kāi)始就把大量的非法請(qǐng)求攔截在外，這在實(shí)際業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)中是必要的手段。
• 緩存空值或者默認(rèn)值，如果從緩存取不到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中也沒(méi)有取到，那我們?nèi)匀话堰@個(gè)空結(jié)果進(jìn)行緩存，同時(shí)設(shè)置一個(gè)較短的過(guò)期時(shí)間。通過(guò)這個(gè)設(shè)置的默認(rèn)值存放到緩存，這樣第二次到緩存中獲取就有值了，而不會(huì)繼續(xù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以防止有大量惡意請(qǐng)求是反復(fù)用同一個(gè)key進(jìn)行攻擊。
• 使用布隆過(guò)濾器快速判斷數(shù)據(jù)是否存在。那什么是布隆過(guò)濾器呢，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是可以引入了多個(gè)相互獨(dú)立的哈希函數(shù)，保證在給定的空間和誤判率下，完成元素判重。

因?yàn)槲覀冎?，存在hash碰撞這樣一種情況，那如果只使用一個(gè)hash函數(shù)，則碰撞沖突的概率明顯會(huì)變大，那為了減少這種沖突，我們可以多引入幾個(gè)hash函數(shù)，而布隆過(guò)濾器算法的核心思想就是利用多個(gè)不同的hash函數(shù)來(lái)解決這樣一種沖突。它的優(yōu)點(diǎn)是空間效率高，查詢時(shí)間短，遠(yuǎn)超其他算法，而它的缺點(diǎn)就是會(huì)存在一定的誤識(shí)別率，它不能完全保證請(qǐng)求過(guò)來(lái)的key，通過(guò)布隆過(guò)濾器的校驗(yàn)，就一定有這個(gè)數(shù)據(jù)，畢竟理論上還是會(huì)存在沖突情況，無(wú)論概率多小。

但是，只要沒(méi)有通過(guò)布隆過(guò)濾器的校驗(yàn)，那么這個(gè)key就一定不存在，只要利用這一點(diǎn)其實(shí)就已經(jīng)可以過(guò)濾掉大部分不存在的key的請(qǐng)求了，在正常場(chǎng)景下已然足夠了。

5. 其他

除了上述三種常見(jiàn)的Redis緩存異常問(wèn)題之外，還經(jīng)常聽(tīng)到的有緩存預(yù)熱和緩存降級(jí)兩個(gè)名詞，與其說(shuō)是異常問(wèn)題，不如說(shuō)是兩種的優(yōu)化處理方法。

(1) 緩存預(yù)熱

緩存預(yù)熱就是系統(tǒng)上線前后，將相關(guān)的緩存數(shù)據(jù)直接加載到緩存系統(tǒng)中去，而不依賴用戶。這樣就可以避免在用戶請(qǐng)求的時(shí)候，先查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再將數(shù)據(jù)緩存的問(wèn)題。用戶直接查詢事先被預(yù)熱的緩存數(shù)據(jù)，這樣可以避免那么系統(tǒng)上線初期，對(duì)于高并發(fā)的流量，都會(huì)訪問(wèn)到數(shù)據(jù)庫(kù)中， 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)造成流量的壓力。根據(jù)數(shù)據(jù)不同量級(jí)，可以有以下幾種做法：

• 數(shù)據(jù)量不大：項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)候自動(dòng)進(jìn)行加載。
• 數(shù)據(jù)量較大：后臺(tái)定時(shí)刷新緩存。
• 數(shù)據(jù)量極大：只針對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)加載緩存操作。

(2) 緩存降級(jí)

緩存降級(jí)是指當(dāng)緩存失效或緩存服務(wù)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，為了防止緩存服務(wù)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)跟著一起發(fā)生雪崩問(wèn)題，所以也不去訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，但因?yàn)橐恍┰?，仍然想要保證服務(wù)還是基本可用的，雖然肯定會(huì)是有損服務(wù)。因此，對(duì)于不重要的緩存數(shù)據(jù)，我們可以采取服務(wù)降級(jí)策略。一般做法有以下兩種：

• 直接訪問(wèn)內(nèi)存部分的數(shù)據(jù)緩存。
• 直接返回系統(tǒng)設(shè)置的默認(rèn)值。

6. 總結(jié)

本文主要對(duì)常見(jiàn)的Redis緩存異常及其處理方案進(jìn)行了總結(jié)，可以用下圖做個(gè)概括：