Redis缓存穿透与缓存击穿

news2024/12/19 11:53:07

Redis缓存穿透与缓存击穿

缓存穿透

在默认情况下，用户请求数据时，会先在缓存(Redis)中查找，若没找到即缓存未命中，再在数据库中进行查找，数量少可能问题不大，可是一旦大量的请求数据（例如秒杀场景）缓存都没有命中的话，就会全部转移到数据库上，造成数据库极大的压力，就有可能导致数据库崩溃。网络安全中也有人恶意使用这种手段进行攻击被称为洪水攻击。

解决方案

1）缓存空对象
简单的来说，就是请求之后，发现数据不存在，就将null值打入Redis中。

优点：实现简单，维护方便
缺点：额外的内存消耗
可能造成短期的不一致

思路分析：
当我们客户端访问不存在的数据时，先请求 redis，但是此时 redis 中没有数据，
此时会访问到数据库，但是数据库中也没有数据，这个数据穿透了缓存，直击数据库，
我们都知道数据库能够承载的并发不如 redis 这么高，如果大量的请求同时过来访问这种不存在的数据，
这些请求就都会访问到数据库，简单的解决方案就是哪怕这个数据在数据库中也不存在，
我们也把这个数据存入到 redis 中去，这样，下次用户过来访问这个不存在的数据，
那么在 redis 中也能找到这个数据就不会进入到数据库了。

2）布隆过滤
在客户端与Redis之间加了一个布隆过滤器，对请求进行过滤。

 布隆过滤器的大致原理：布隆过滤器中存放二进制位。
           数据库的数据通过hash算法计算其hash值并存放到布隆过滤器中，
           之后判断数据是否存在的时候，就是判断该hash值是0还是1。

           但是这是一种概率上的统计，当其判断不存在的时候就一定是不存在；
            当其判断存在的时候就不一定存在。所以有一定的穿透风险

优点：内存占用较少，没有多余 key
缺点：实现复杂存在误判可能

编码解决用户查询的缓存穿透问题

核心思路如下：

在原来的逻辑中，我们如果发现这个数据在 mysql 中不存在，直接就返回 404 了，

这样是会存在缓存穿透问题的

现在的逻辑中：
如果这个数据不存在，我们不会返回 404 ，还是会把这个数据写入到 Redis 中，
并且将 value 设置为空，当再次发起查询时，我们如果发现命中之后，判断这个 value 是否是 null，
如果是 null，则是之前写入的数据，证明是缓存穿透数据，如果不是，则直接返回数据。

@Override
public Result queryById(Long id) {
    // 从redis查询商铺缓存
    String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
    String userJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
 
    // 判断是否存在
    if (StrUtil.isNotBlank(userJson )) {
        // 存在，直接返回
        User user = JSONUtil.toBean(userJson , User.class);
        return Result.ok(user );
    }
 
    // 1.检查缓存中是否有空值
    if (userJson == null) {
        // 返回一个错误信息
        return Result.fail("用户不存在！");
    }
 
    // 不存在，根据id查询数据库
    User user = getById(id);
 
    // 不存在，返回错误
    if (user == null) {
        // 2.防止穿透问题，将空值写入redis
        stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
        return Result.fail("用户不存在！");
    }
 
    // 存在，写入Redis
    // 把shop转换成为JSON形式写入Redis
    // 同时添加超时时间
    stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(user), CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
    return Result.ok(user);
}

缓存击穿

缓存击穿是部分key过期导致的严重后果。

为什么大量key过期会产生问题而少量的key也会有问题？

缓存击穿问题也叫热点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突然失效了，

无数的请求访问会在瞬间给数据库带来巨大的冲击。

上述：假设此时该热点key的TTL时间到（失效了），则查询缓存未命中，会继续查询数据库，并进行缓存重建工作。但是由于查询SQL逻辑比较复杂、重建缓存的时间较久，并且该key又是热点key，短时间内有大量的线程对其进行访问，所以请求会直接到数据库中，数据库就有可能垮掉！

缓存击穿解决方案

通过互斥锁解决缓存击穿方案
简单的来说:
并不是所有的线程都有 “ 资格 ” 去访问数据库，只有持有锁的线程才可以对其进行操作。
不过该操作有一个很明显的问题，就是会出现相互等待的情况。

核心思路：
相较于原来从缓存中查询不到数据后直接查询数据库而言，现在的方案是进行查询之后，
如果从缓存没有查询到数据，则进行互斥锁的获取，获取互斥锁后，判断是否获得到了锁，如果没有得到，
则休眠，过一会再进行尝试，直到获取到锁为止，才能进行查询

     如果获取到了锁的线程，再去进行查询，查询后将数据写入 redis，再释放锁，返回数据，

利用互斥锁就能保证只有一个线程去执行操作数据库的逻辑，防止缓存击穿。

public User queryByMutex(Long id) {
    // 1.从redis查询商铺缓存
    String key = CACHE_SHOP_KEY + id;
    String userJson= stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
 
    // 2.判断是否存在
    if (StrUtil.isNotBlank(shopString )) {
        return JSONUtil.toBean(shopString, User.class);
    }
 
    // 判断空值
    if (userJson!= null) {
        // 返回一个错误信息
        return null;
    }
 
    String lockKey = "lock:user:" + id;
    User user= null;
    try {
        // 4.实现缓存重建
        // 4.1获取互斥锁
        boolean isLock = tryLock(lockKey);
 
        // 4.2判断是否成功
        if (!isLock) {
            // 4.3失败，则休眠并重试
            Thread.sleep(50);
            // 递归
            return queryByMutex(id);
        }
        // 4.4成功，根据id查询数据库
        user= getById(id);
 
        // 模拟延迟
        Thread.sleep(200);
 
        // 5.不存在，返回错误
        if (user== null) {
            stringRedisTemplate.opsForValue().set(key,"",CACHE_NULL_TTL,TimeUnit.MINUTES);
            return null;
        }
 
        // 6.存在，写入redis
        stringRedisTemplate.opsForValue().set(key,JSONUtil.toJsonStr(user),
        CACHE_SHOP_TTL,TimeUnit.MINUTES);
 
    } catch (InterruptedException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    } finally {
        // 7.释放锁
        unLock(lockKey);
    }
 
    // 8.返回
    return user;
}