用户的数据一般是存储于数据库，数据库的数据是落在磁盘上的，磁盘的读写速度可以说是计算机里最慢的硬件了。
当用户的请求，都访问数据库的话，请求数量一上来，数据库很容易就崩溃了，所以为了避免用户直接访问数据库，会用Redis作为缓存层。
因为Redis是内存数据库，我们可以将数据库的数据缓存在Redis里面，相当于数据缓存在内存，内存的读写速度比硬盘快好几个数量级，这个大大提高了系统性能。

Redis缓存的使用，极大的提升了应用程序的性能和效率，特别是数据查询方面。但同时，它也会带来一些问题，最要害的问题，就是数据的一致性问题（严格意义说无解），如果对数据的一致性要求很高，那么就不能使用缓存。
引入了缓存层，就会有缓存异常的三个问题：缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透。

一、缓存穿透

1.1 概念

用户想要去查询一个数据时，发现Redis内存数据库中没有要访问的数据，也就是缓存没有命中，于是再去访问持久层数据库，发现数据库中也没有要访问的数据，于是本次查询失败。那么当有大量这样的请求到来时，会给持久层数据库造成很大的压力（压力骤增），这就是缓存穿透的问题。

缓存穿透的发生，一般有这两种情况：

• 业务误操作，缓存中的数据和数据库中的数据都被误删除了，所以导致缓存和数据库中都没有数据；
• 黑客恶意攻击，故意大量访问某些读取不存在数据的业务；

1.2 解决方案

非法请求的限制

当有大量恶意请求访问不存在的数据时，也会发生缓存穿透，因此在API入口处我们要判断请求参数是否合理，请求参数是否含有非法值、请求字段是否存在，如果判断出是恶意请求就直接返回错误，避免进一步访问缓存和数据库。

缓存空值或者默认值

当我们线上业务发现缓存穿透的现象时，可以针对查询的数据，在缓存中设置一个空值或者默认值，同时会设置一个过期时间，这样后续请求就可以从缓存中读取到空值或者默认值，返回给应用，而不会继续查询数据库。

但是这种方法存在两个问题：

• 如果空值能够被缓存起来，这就意味着缓存需要更多的空间存储更多的键，因为这当中可能会有很多的空值的键。
• 即使对空值设置了过期时间，还是会存在缓存层和存储层的数据会有一段时间窗口的不一致，这对于需要保持一致性的业务会有影响。

布隆过滤器

布隆过滤器是一种数据结构，对所有可能查询的参数以hash形式存储。

我们可以在写入数据库数据时，使用布隆过滤器做个标记，然后在用户请求到来时，业务线程确认缓存失效后，可以通过查询布隆过滤器快速判断数据是否存在，如果不存在，就不用通过查询数据库来判断数据是否存在。

即使发生了缓存穿透，大量请求只会查询 Redis 和布隆过滤器，而不会查询数据库，保证了数据库能正常运行，Redis 自身也是支持布隆过滤器的。

1.3 布隆过滤器的工作原理

布隆过滤器由「初始值都为 0 的位图数组」和「 N 个哈希函数」两部分组成。当我们在写入数据库数据时，在布隆过滤器里做个标记，这样下次查询数据是否在数据库时，只需要查询布隆过滤器，如果查询到数据没有被标记，说明不在数据库中。

布隆过滤器会通过 3 个操作完成标记：

• 第一步，使用 N 个哈希函数分别对数据做哈希计算，得到 N 个哈希值；
• 第二步，将第一步得到的 N 个哈希值对位图数组的长度取模，得到每个哈希值在位图数组的对应位置。
• 第三步，将每个哈希值在位图数组的对应位置的值设置为 1；

举个例子，假设有一个位图数组长度为 8，哈希函数 3 个的布隆过滤器。

在数据库写入数据 x 后，把数据 x 标记在布隆过滤器时，数据 x 会被 3 个哈希函数分别计算出 3 个哈希值，然后在对这 3 个哈希值对 8 取模，假设取模的结果为 1、4、6，然后把位图数组的第 1、4、6 位置的值设置为 1。当应用要查询数据 x 是否数据库时，通过布隆过滤器只要查到位图数组的第 1、4、6 位置的值是否全为 1，只要有一个为 0，就认为数据 x 不在数据库中。

布隆过滤器由于是基于哈希函数实现查找的，高效查找的同时存在哈希冲突的可能性，比如数据 x 和数据 y 可能都落在第 1、4、6 位置，而事实上，可能数据库中并不存在数据 y，存在误判的情况。

所以，查询布隆过滤器说数据存在，并不一定证明数据库中存在这个数据，但是查询到数据不存在，数据库中一定就不存在这个数据。

二、缓存击穿

2.1 概念

我们的业务通常会有几个数据会被频繁访问，比如秒杀活动，这类被频繁访问的数据被称为热点数据。（热点数据在不停的扛着高并发）

如果缓存中的某个热点数据过期了，此时大量的请求访问了该热点数据，就无法从缓存中读取，直接访问数据库，数据库很容易就被高并发的请求冲垮，这就是缓存击穿问题。

2.2 解决方案

1、设置热点数据永不过期

由后台异步更新缓存

2、加互斥锁

使用分布式锁，保证对每个key同时只有一个线程去查询后端服务，其他线程没有获取分布式的权限，因此只需要等待即可。这种方式将高并发的压力转移到了分布式锁，因此对分布式锁的考验很大。

三、缓存雪崩

3.1 概念

通常我们为了保证缓存中的数据与数据库中的数据一致性，会给Redis里的数据设置过期时间，当缓存数据过期后，用户访问的数据如果不在缓存里，业务系统需要重新生成缓存，因此就会访问数据库，并将数据更新到Redis里，这样后续请求都可以直接命中缓存。
那么，当大量缓存数据在同一时间过期（失效）或者Redis故障宕机时，如果此时有大量的用户请求，都无法在Redis中处理，于是全部请求都直接访问数据库，从而导致数据库的压力骤增，严重的会造成数据库宕机，从而形成一系列连锁反应，造成整个系统崩溃，这就是缓存雪崩的问题。

所以，发生缓存雪崩有两个原因：

• 大量缓存数据同时过期
• Redis故障宕机

3.2 解决方案

大量缓存数据同时过期的解决方案：

1、均匀设置缓存时间

如果要给缓存数据设置过期时间，应该避免将大量的数据设置成同一个过期时间。我们可以在对缓存数据设置过期时间时，给这些数据的过期时间加上一个随机数，这样就保证数据不会在同一时间过期。

2、互斥锁

当业务线程在处理用户请求时，如果发现访问的数据不在 Redis 里，就加个互斥锁，保证同一时间内只有一个请求来构建缓存（从数据库读取数据，再将数据更新到 Redis 里），当缓存构建完成后，再释放锁。未能获取互斥锁的请求，要么等待锁释放后重新读取缓存，要么就返回空值或者默认值。

实现互斥锁的时候，最好设置超时时间，不然第一个请求拿到了锁，然后这个请求发生了某种意外而一直阻塞，一直不释放锁，这时其他请求也一直拿不到锁，整个系统就会出现无响应的现象。

3、双 key 策略

我们对缓存数据可以使用两个 key，一个是主 key，会设置过期时间，一个是备 key，不会设置过期，它们只是 key 不一样，但是 value 值是一样的，相当于给缓存数据做了个副本。

当业务线程访问不到「主 key 」的缓存数据时，就直接返回「备 key 」的缓存数据，然后在更新缓存的时候，同时更新「主 key 」和「备 key 」的数据。

双 key 策略的好处是，当主 key 过期了，有大量请求获取缓存数据的时候，直接返回备 key 的数据，这样可以快速响应请求。而不用因为 key 失效而导致大量请求被锁阻塞住（采用了互斥锁，仅一个请求来构建缓存），后续再通知后台线程，重新构建主 key 的数据。

4、后台更新缓存

业务线程不再负责更新缓存，缓存也不设置有效期，而是让缓存“永久有效”，并将更新缓存的工作交由后台线程定时更新。

Redis故障宕机的解决方案：

1、服务熔断机制

暂停业务应用对缓存服务的访问，直接返回错误，不用再继续访问数据库，从而降低对数据库的访问压力，保证数据库系统的正常运行，然后等到 Redis 恢复正常后，再允许业务应用访问缓存服务。

服务熔断机制是保护数据库的正常允许，但是暂停了业务应用访问缓存服系统，全部业务都无法正常工作

2、请求限流机制

只将少部分请求发送到数据库进行处理，再多的请求就在入口直接拒绝服务，等到 Redis 恢复正常并把缓存预热完后，再解除请求限流的机制。

3、构建Redis缓存高可用集群

通过主从节点的方式构建 Redis 缓存高可靠集群。如果 Redis 缓存的主节点故障宕机，从节点可以切换成为主节点，继续提供缓存服务，避免了由于 Redis 故障宕机而导致的缓存雪崩问题。