缓存：浅谈双写导致的数据一致性问题

news2024/9/21 16:45:35

从理论上来说，给缓存设置过期时间，是保证最终一致性的解决方案。这种方案下，我们对存入缓存的数据设置过期时间，所有的写操作以数据库为准，对缓存操作只是尽最大努力更新即可。也就是说如果数据库写成功，缓存更新失败，那么只要到达过期时间，则后面的读请求自然会从数据库中读取新值然后回填缓存。

因此，接下来讨论的思路不依赖于给缓存设置过期时间这个方案。我们讨论三种更新策略：
1、先更新缓存，再更新数据库。（不可取）
2、先更新数据库，再更新缓存。（不可取）
3、先删除缓存，再更新数据库。（不可取）
4、先更新数据库，再删除缓存。（可取，有问题待解决）

大前提：先读缓存，如果缓存没有，才从数据库读取。

一、先更新数据库，再更新缓存

这套方案，大家是普遍反对的。为什么呢？有如下两点原因。

1、原因1-线程安全角度

同时有请求A和请求B进行更新操作，那么会出现
（1）线程A更新了数据库
（2）线程B更新了数据库
（3）线程B更新了缓存
（4）线程A更新了缓存
这就出现请求A更新缓存应该比请求B更新缓存早才对，但是因为网络等原因，B却比A更早更新了缓存。这就导致了脏数据，因此不考虑。

2、原因2-业务场景角度

有如下两点：
（1）如果你是一个写数据库场景比较多，而读数据场景比较少的业务需求，采用这种方案就会导致，数据压根还没读到，缓存就被频繁的更新，浪费性能。
（2）如果你写入数据库的值，并不是直接写入缓存的，而是要经过一系列复杂的计算再写入缓存。那么，每次写入数据库后，都再次计算写入缓存的值，无疑是浪费性能的。显然，删除缓存更为适合。

接下来讨论的就是争议最大的：先删缓存，再更新数据库；还是先更新数据库，再删缓存的问题。

二、先删缓存，再更新数据库

该方案如果有一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形:
（1）请求A进行写操作，删除缓存
（2）请求B查询发现缓存不存在
（3）请求B去数据库查询得到旧值
（4）请求B将旧值写入缓存
（5）请求A将新值写入数据库
上述情况就会导致不一致的情形出现。而且，如果不采用给缓存设置过期时间策略，该数据永远都是脏数据。

那么，如何解决呢？采用双删延时策略：
（1）先淘汰缓存；
（2）再写数据库（这两步和原来一样）；
（3）休眠1秒，再次淘汰缓存。
这么做，可以将1秒内所造成的缓存脏数据，再次删除。

那么，这个1秒怎么确定的，具体该休眠多久呢？先自行评估项目读数据业务逻辑的耗时，然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上，加几百ms即可。这么做的目的，就是确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。

如果用了mysql的读写分离架构怎么办？在这种情况下，造成数据不一致的原因如下，还是两个请求，一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作。
（1）请求A进行写操作，删除缓存；
（2）请求A将数据写入数据库了，
（3）请求B查询缓存发现，缓存没有值；
（4）请求B去从库查询，这时，还没有完成主从同步，因此查询到的是旧值；
（5）请求B将旧值写入缓存；
（6）数据库完成主从同步，从库变为新值。
上述情形，就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是，睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上，加几百ms。

采用这种同步淘汰策略，吞吐量降低怎么办？那就将第二次删除作为异步的：自己起一个线程，异步删除。这样，写的请求就不用沉睡一段时间后了，这么做，加大吞吐量。

第二次删除，如果删除失败怎么办？
这是个非常好的问题，因为第二次删除失败，就会出现如下情形。还是有两个请求，一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作，为了方便，假设是单库：
（1）请求A进行写操作，删除缓存
（2）请求B查询发现缓存不存在
（3）请求B去数据库查询得到旧值
（4）请求B将旧值写入缓存
（5）请求A将新值写入数据库
（6）请求A试图去删除，请求B写入对的缓存值，结果失败了。
ok,这也就是说。如果第二次删除缓存失败，会再次出现缓存和数据库不一致的问题。

如何解决呢？

三、先更新数据库，再删缓存

老外曾提出一个缓存更新套路，名为《Cache-Aside pattern》。其中就指出：

失效：应用程序先从cache取数据，没有得到，则从数据库中取数据，成功后，放到缓存中。
命中：应用程序从cache中取数据，取到后返回。
更新：先把数据存到数据库中，成功后，再让缓存失效。

另外，知名社交网站facebook也在论文《Scaling Memcache at Facebook》中提出，他们用的也是先更新数据库，再删缓存的策略。

这种情况不存在并发问题么？不是的，也会存在。假设有两个请求，一个请求A做查询操作，一个请求B做更新操作，那么会有如下情形产生
（1）缓存刚好失效
（2）请求A查询数据库，得一个旧值
（3）请求B将新值写入数据库
（4）请求B删除缓存
（5）请求A将查到的旧值写入缓存
ok，如果发生上述情况，确实是会发生脏数据。

然而，发生这种情况的概率又有多少呢？发生上述情况有一个先天性条件，就是步骤（3）的写数据库操作比步骤（2）的读数据库操作耗时更短，才有可能使得步骤（4）先于步骤（5）。可是，大家想想，数据库的读操作的速度远快于写操作的，因此步骤（3）耗时比步骤（2）更短，这一情形很难出现。

如果一定要解决上述并发问题，也可以采用异步延时删除策略，保证读请求完成以后，再进行删除操作。