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Redis管道及缓存问题解析

一、什么是Redis管道

Redis管道（pipeline）是一种在网络层面上实现的批量操作机制，它可以将多个命令一次性发送给Redis服务器，而不需要等待每个命令的响应。这样可以减少客户端和服务器之间的网络通信次数，提高命令执行效率。

Redis管道的原理是基于TCP协议的请求/响应模型，即客户端发送一个请求后，必须等待服务器的响应才能发送下一个请求。如果客户端有多个请求要发送，那么就会产生多次网络往返延迟（RTT），影响性能。

而通过管道技术，客户端可以将多个请求打包成一个数据包发送给服务器，服务器也会将多个响应打包成一个数据包返回给客户端，从而减少网络延迟。并且有些场景也避免了事务问题，比如设置key和设置时间

二、如何使用Redis管道

使用Redis管道非常简单，只需要在发送命令之前调用pipeline()方法，创建一个管道对象，然后将命令添加到管道对象中，最后调用execute()方法执行所有命令并返回结果列表。下面是一个java示例：

Jedis jedis = new Jedis("localhost"); 
Pipeline p = jedis.pipelined(); 
p.set("foo","bar"); p.get("foo"); 
List<Object> results = p.syncAndReturnAll();

需要注意的是，使用管道并不保证原子性，即如果有其他客户端在管道执行过程中修改了数据，那么可能会影响管道中的命令结果。如果需要保证原子性，可以使用事务（transaction）或Lua脚本。

什么是缓存雪崩、缓存穿透、缓存击穿

Redis作为目前使用最广泛的缓存，相信大家都不陌生。但是使用缓存并没有这么简单，还要考虑缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透的问题，这些问题都可能导致大量请求直接打在数据库上，造成数据库压力过大甚至宕机。

那么这些问题分别是什么意思呢？

缓存雪崩

缓存雪崩是指当某一个时刻出现大规模的缓存失效的情况（比如Redis宕机或者大量key同时过期），导致大量请求直接打在数据库上，造成数据库压力巨大甚至宕机。这就像一场雪崩一样，一旦发生就很难控制。

缓存穿透

缓存穿透是指当用户请求的数据在缓存和数据库中都不存在时（比如请求一个不存在的id），导致每次请求都会到数据库中查询，从而给数据库造成压力。这就像穿透了缓存一样，直接访问数据库。

缓存击穿

缓存击穿是指当一个热点key在缓存中过期时，同时有大量请求过来查询这个key，导致大量请求直接打在数据库上，造成数据库压力剧增。这就像击穿了缓存一样，直接访问数据库。

四、如何解决缓存问题

说到底就是最终落到数据库了，如果有大量请求数据库就会被群殴致死，针对上面三种缓存问题，我们可以采用不同的解决方案，下面分别介绍。

解决缓存雪崩

解决缓存雪崩的关键在于避免大规模的key同时失效，有几种方法：

设置不同的过期时间。避免缓存设置相同的过期时间，可以在设置过期时间时增加一个随机值，使得过期时间均匀分布。（推荐）
数据预热。对于即将到来的大流量请求，可以提前将数据加载到缓存中，并设置不同的过期时间。
保证Redis服务高可用。为了防止Redis宕机导致缓存雪崩的问题，可以搭建Redis集群或哨兵模式，提高Redis的容灾性。
使用熔断机制。当流量到达一定的阈值时，可以直接返回“系统拥挤”之类的提示，防止过多的请求打在数据库上。
提高数据库的容灾能力。可以使用分库分表、读写分离、负载均衡等策略，提高数据库的承载能力和稳定性。

解决缓存穿透

解决缓存穿透的关键在于避免查询不存在的数据，有以下几种方法：

参数校验。对用户请求的参数进行校验，对于明显错误或非法的参数，直接拦截返回。
缓存空值。对于查询为空的数据，也可以将其缓存在Redis中，并设置一个较短的过期时间（比如30秒），这样可以防止短时间内大量重复查询。
使用布隆过滤器。布隆过滤器是一种数据结构，利用极小的内存，可以判断大量数据“一定不存在或者可能存在”。对于缓存穿透，我们可以将所有可能存在的key哈希到一个足够大的布隆过滤器中，用户请求时先判断key是否在布隆过滤器中，如果不在就直接返回。（推荐）

解决缓存击穿

解决缓存击穿的关键在于避免热点key失效时造成大量请求打在数据库上，有以下几种方法：

设置热点数据永不过期。对于某些需要频繁访问的数据，可以将其设置为永不过期的key，当然这种方式比较粗暴，对于某些业务场景是不适合的。
定时更新。对于某些有固定过期时间的热点数据，可以在其快要过期前通过定时任务去更新它，并重新设置过期时间。
使用互斥锁。当缓存失效时，只有拿到锁的请求才能去查询数据库并更新缓存，其他请求则等待或重试。这样可以降低同时打在数据库上的请求数量。

缓存和数据库双写一致性问题

在使用Redis作为缓存时，我们通常需要在数据发生变化时，同时更新缓存和数据库，以保证数据的一致性。但是由于网络延迟或者其他原因，可能会导致缓存和数据库的数据不一致。

例如，如果先更新缓存再更新数据库，那么如果缓存更新成功而数据库更新失败，就会导致缓存中的数据是脏数据。

如果先更新数据库再更新缓存，那么如果数据库更新成功而缓存更新失败，就会导致缓存中的数据是旧数据。

那么如何解决这个问题呢？

解决方案

针对这个问题，有几种解决方案：

先删除缓存再更新数据库。这种方式可以保证数据库中的数据是最新的，但是可能会导致短时间内的缓存不命中，增加数据库压力。为了避免这个问题，可以在删除缓存后延迟一段时间（比如1秒）再更新数据库，这样可以减少其他请求查询到空缓存的概率。
先更新数据库再删除缓存。这种方式可以保证缓存中的数据是最新的，但是可能会导致删除缓存失败，导致缓存过期。为了避免这个问题，可以在删除缓存后延迟一段时间（比如1秒）再次删除缓存，减少其他请求查询到过期缓存的概率。
使用消息队列。将更新操作放入消息队列中，保证顺序执行，并且可以重试失败的操作。这样可以保证最终一致性，但是可能会增加系统复杂度和延迟。
使用分布式锁。在更新操作前获取一个分布式锁，保证同一时刻只有一个请求能够更新数据，并且在更新完成后释放锁。这样可以保证强一致性，但是可能会降低并发性能和可用性

开发过程中看起来我们都是先处理数据再删缓存的

其他问题

缓存穿透、击穿、雪崩的监控和预警。为了及时发现和处理缓存问题，需要对Redis的性能和状态进行监控和预警，比如监控Redis的QPS、响应时间、内存使用率、命中率等指标，当发现异常时及时报警并处理。
缓存的合理使用。不是所有的数据都适合放入缓存中，需要根据数据的访问频率、更新频率、大小等因素进行权衡。一般来说，适合放入缓存的数据应该满足以下条件：
- 访问频率高，更新频率低。这样可以提高缓存命中率，减少数据库压力。
- 数据量小，计算量大。这样可以减少网络传输开销，提高计算效率。
- 数据一致性要求不高。这样可以容忍缓存和数据库之间的短暂不一致。

业务场景举例

下面举几个使用Redis作为缓存的业务场景：

商品详情页。商品详情页是电商网站中最常访问的页面之一，每个商品都有一个唯一的id作为key，商品的基本信息、库存、评价等作为value。这些数据一般不会频繁变化，但是访问量很大，所以适合放入Redis中作为缓存。当用户访问某个商品详情页时，先从Redis中查询，如果命中则直接返回，如果不命中则从数据库中查询，并将结果放入Redis中，并设置一个过期时间（比如1小时）。当商品信息发生变化时（比如库存变化），需要同时更新数据库和缓存。
热门排行榜。热门排行榜是展示某个维度下最受欢迎的内容的列表，比如电影排行榜、音乐排行榜、新闻排行榜等。这些数据一般会根据某个指标（比如评分、播放量、点击量等）进行排序，并定期更新。这些数据适合放入Redis中作为缓存，因为它们访问量大，计算量大，数据量小。可以使用Redis的有序集合（sorted set）来实现排行榜功能，每个元素对应一个内容id，分数对应一个指标值。当用户访问某个排行榜时，先从Redis中查询，如果命中则直接返回，如果不命中则从数据库或其他服务中查询，并将结果放入Redis中，并设置一个过期时间（比如10分钟）。当内容的指标值发生变化时（比如评分变化），需要同时更新数据库和缓存。
验证码。验证码是一种用于防止机器人或恶意用户的一种安全机制，一般在用户注册、登录、下单等场景中使用。验证码一般有一个有效期（比如5分钟），并且只能使用一次。这些数据适合放入Redis中作为缓存，因为它们访问频率高，更新频率高，数据量小，数据一致性要求不高。可以使用Redis的字符串（string）来实现验证码功能，每个key对应一个用户id或手机号，value对应一个验证码。当用户请求发送验证码时，生成一个随机的验证码，并将其存入Redis中，并设置一个过期时间（比如5分钟）。当用户输入验证码时，先从Redis中查询，如果命中则验证是否正确，如果不命中则提示验证码已过期或不存在。当验证码验证成功或失败时，需要删除Redis中的key。

今天就介绍到这里，感谢大家