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缓存更新的四种策略及选取建议

前言

缓存更新是指在数据发生变化时，保持缓存和数据库的数据一致性的问题。如果缓存和数据库的数据不一致，会导致用户看到过期或者错误的数据，影响业务逻辑和用户体验。

为了实现缓存更新，我们可以采用以下四种方式：

• Cache Aside策略：应用程序直接与数据库和缓存交互，并负责维护缓存的一致性

  • 查询：先查询缓存，如果缓存中没有，则查询数据库，并将结果写入缓存
  • 更新：先更新数据库，然后删除缓存或者更新缓存

• Read/Write Through策略：应用程序只和缓存交互，而是使用缓存与数据库交互

  • 查询：先查询缓存，如果缓存中没有，则缓存从数据库中加载数据，并写入缓存
  • 更新：先更新缓存，再由缓存同步更新数据库

• Write Behind 策略：应用程序只和缓存交互。当有数据更新时，只更新缓存，不直接更新数据库，改为异步的方式更新数据库

• Refresh-Ahead策略：应用程序只和缓存交互，由后台服务与数据库交互

  • 查询：只查询缓存
  • 更新：由后台服务自动从数据库中查询最新的数据，并将数据写入缓存中，

  不同于以上三种，应用程序无需等待数据的刷新，也无需自己去触发数据的刷新，而是后台服务来完成这些操作

Cache Aside

Cache Aside策略上文已经介绍过了，它是通过应用层面来实现的，分为两种场景：

• Cache Aside查询策略
• Cache Aside更新策略

Cache Aside查询策略

如下图所示：通过代码查询缓存，缓存命中则返回，如果没有命中则查询数据库并设置值

Cache Aside更新策略

如下图所示：通过代码更新缓存，先更新数据库，后更新缓存

这种策略简单易用，但是需要维护缓存和数据库的一致性，可能出现缓存穿透或缓存雪崩的问题，一般采用延迟双删来保证最终一致性

延迟双删

延迟双删是一种保证数据一致性的常用策略，它的基本思想是在更新数据库后，先删除缓存，然后等待一段时间，再次删除缓存。这样做的目的是为了防止在数据库和缓存主从同步的过程中，有其他请求查询到旧的缓存数据，并写回到缓存中，具体的流程如下：

1. 更新数据库数据
2. 删除缓存数据
3. 休眠一段时间，时间依据数据的读取耗费的时间而定。
4. 再次删除缓存数据

延迟双删的休眠时间是根据业务读取数据平均耗时来设置的，目的是确保读请求可以结束，写请求可以删除读请求造成的脏数据的问题。一般来说，休眠时间可以设置为500毫秒左右，但具体还要根据实际情况调整。休眠时间设置过长会影响性能和实时性，设置过短会导致数据不一致的风险。

延迟双删的优点是简单易实现，能够提高数据的最终一致性。但是延迟双删的缺点也非常明显：

• 延迟双删不是强一致性，有等待环节，如果系统要求低延时，这种场景就不合适了
• 延迟双删不适合“秒杀”这种频繁修改数据和要求数据强一致的场景
• 延迟双删的延时时间是一个预估值，不能确保数据库和redis在这个时间段内都实时同步或持久化成功了
• 延迟双删不能完全避免redis存在脏数据的问题，只能减轻这个问题，要想彻底解决，还需要用到同步锁解决

Read/Write Through

Read/Write Through只与缓存做交互，分为两种场景：

• Read/Write Through查询策略
• Read/Write Through更新策略

Read/Write Through查询策略

如下图所示：先查询缓存，如果缓存没有，由缓存去数据库查询，而不是应用层，查询后更新缓存

Read/Write Through更新策略

如下图所示：先更新缓存，再由缓存同步更新数据库

Write Behind

Write Behind 策略是指在写入数据时，只更新缓存中的数据，然后建立一个异步任务或者定时任务来批量更新数据库中的数据。这样，应用程序无需等待数据库的响应，也无需自己去同步更新数据库和缓存，而是交由缓存服务来完成这些操作，如下图所示：

Refresh-Ahead

是指在读取数据时，如果缓存中的数据即将过期，则由后台线程或服务自动从数据库中查询最新的数据，并将数据写入缓存中，然后返回给应用程序。不同于以上三种，应用程序无需等待数据的刷新，也无需自己去触发数据的刷新，而是交由后台线程或服务来完成这些操作。其中后台线程或服务的实现通常是使用CDC模式去实现的

Refresh-Ahead 模式的工作原理如下：

• 当客户端访问缓存中的某个数据时，首先检查该数据是否即将过期，如果是，则启动一个后台线程或服务去从数据库中获取最新的数据，并替换掉缓存中的旧数据；同时返回给客户端
• 如果该数据还没有即将过期，则直接返回给客户端
• 如果该数据项已经过期，则从数据库中获取最新的数据，并替换掉缓存中的旧数据，并返回给客户端新数据

CDC

CDC，全称为Change Data Capture。它是一种软件设计模式，通过监测数据变更(新增、修改、删除等)而对变更的数据进行进一步处理的一种设计模式。CDC 可以帮助实现数据同步、数据仓库加载、数据分析等场景

CDC 的优点：

• 提高数据访问的性能和效率，因为它避免了重复地查询整个数据集，而只需要获取增量数据
• 提高数据一致性和可靠性，因为它可以及时地将数据源的变化同步到下游系统，避免了数据过期或丢失的风险
• 提高数据分析和洞察的能力，因为它可以实时地反映数据的状态
• 提高数据集成和转换的灵活性和可扩展性，因为它可以适应不同类型和结构的数据源和目标，支持多种场景和用例。

CDC 的应用场景：

• 数据同步：可将数据源中的变化同步到其他数据库或数据存储中，例如缓存、搜索索引、备份等。
• 数据仓库加载：可将数据源中的变化加载到数据仓库或数据湖中，支持离线或实时的数据分析和报告。
• 数据分析：可将数据源中的变化发送到流式处理平台或机器学习平台中，支持实时或批量的数据处理和建模
• 数据触发：可将数据源中的变化作为触发器，激活其他系统或服务中的业务流程或逻辑，例如通知、审计、验证等

CDC 的实现方式有多种，其中比较成熟的开源项目就是Debezium。它为CDC提供了一套低延迟的数据流平台支持多种数据库。例如：MongoDB、MySQL、PostgreSQL、SQL Server、Oracle等等。使用Debezium监控数据源，并使用Kafka作为消息服务，将数据源的变化作为事件发送到缓存。这样，缓存可以异步地接收和处理数据变化，而不需要定期地查询数据源

四种策略的选择

我们介绍了四种常见的缓存更新策略：Cache Aside、Read/Write Through 、Write Behind Caching 、Refresh-Ahead。在实际应用时，应该结合具体业务和应用场景来选择合适的缓存策略，接下来我们通过对比性能、数据一致性、冗余数据、代码复杂度、业务逻辑、可靠性这几个点来说明：

策略	性能	一致性	冗余数据	代码复杂度	业务逻辑	可靠性
Cache Aside	较高	较低	较少	较高	较复杂	较低
Read/Write Through	较低	最高	较多	最高	最简单	最高
Write Behind Caching	最高	最低	较少	较低	较简单	较高
Refresh-Ahead	次高	次高	较多	最高	较复杂	最高

注意：
Refresh-Ahead策略是假定无CDC的情况下进行对比的

性能

• Cache Aside 的性能较高，它只在缓存未命中时才访问数据库
• Read/Write Through 的性能较低，它在每次读写时都需要访问数据库
• Write Behind Caching 的性能最高，它只在缓存未命中时才访问数据库，而写入操作是异步的
• Refresh-Ahead 的性能介于 Cache Aside 和 Write Behind Caching 之间，它只在即将过期时才访问数据库，并且写入操作也是异步的

数据一致性

• Cache Aside 的数据一致性较低，它只在缓存未命中时才更新缓存，而写入操作则是直接更新数据库，并将缓存中的数据删除或更新
• Read/Write Through 的数据一致性最高，它在每次读写时都更新数据库和缓存
• Write Behind Caching 的数据一致性最低，它只在缓存未命中时才更新缓存，而写入操作则是先更新缓存，并在异步更新数据库，有较大的延迟。
• Refresh-Ahead 的数据一致性介于 Read/Write Through 和 Cache Aside 之间，它保证了缓存中的数据总是最新的，但是有一定的延迟

冗余数据

• Cache Aside 的冗余数据较少，它只将经常访问的数据保存到缓存中
• Read/Write Through 的冗余数据较多，它需要将数据库的所有数据都保存到缓存中
• Write Behind Caching 的冗余数据与 Cache Aside 相同，因为它也只将经常访问的数据保存到缓存中
• Refresh-Ahead 的冗余数据与 Read/Write Through 相同，它也需要将数据库的所有数据都保存到缓存中

代码复杂度

• Cache Aside 的代码复杂度较高，它需要同时与缓存和数据库交互，并处理可能出现的异常情况
• Read/Write Through 的代码复杂度最高，它需要实现数据库的读写接口
• Write Behind Caching 的代码复杂度较低，它只需要实现简单的缓存操作，并在异步执行数据库写入操作
• Refresh-Ahead 的代码复杂度与 Read/Write Through 相同，他它需要实现数据库的读写接口（关于这点可以使用Debezium）

业务逻辑

• Cache Aside 的业务逻辑较复杂，它需要同时与缓存和数据库交互，且返回的数据是最新的
• Read/Write Through 的业务逻辑最简单，它只与缓存交互，且返回的数据是最新的
• Write Behind Caching 的业务逻辑较简单，它也只与缓存交互，且返回的数据是最新的，由于是异步更新，所以比Read/Write Through要复杂一些
• Refresh-Ahead 的业务逻辑较复杂，它会同时与缓存和数据库交互，需要处理可能出现的异常情况，且返回的数据有可能是旧的，也有可能是新的（关于这点也可以使用Debezium）

可靠性

• Cache Aside 的可靠性较低，因为它将缓存作为数据库的辅助层
• Read/Write Through 的可靠性最高，因为它将缓存作为数据库的代理层
• Write Behind Caching 的可靠性较高，因为它将缓存作为数据库前置层
• Refresh-Ahead 的可靠性与 Read/Write Through 相同，因为它也将缓存作为数据库的代理层

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