Go分布式缓存 防止缓存击穿(day6)

Go分布式缓存 防止缓存击穿(day6)

• 缓存雪崩、缓存击穿与缓存穿透的概念简介。
• 使用 singleflight 防止缓存击穿，实现与测试。代码约70行

1 缓存雪崩、缓存击穿与缓存穿透

GeeCache 第五天 提到了缓存雪崩和缓存击穿，在这里做下总结：

缓存雪崩：缓存在同一时刻全部失效，造成瞬时DB请求量大、压力骤增，引起雪崩。缓存雪崩通常因为缓存服务器宕机、缓存的 key 设置了相同的过期时间等引起。

缓存击穿：一个存在的key，在缓存过期的一刻，同时有大量的请求，这些请求都会击穿到 DB ，造成瞬时DB请求量大、压力骤增。

缓存穿透：查询一个不存在的数据，因为不存在则不会写到缓存中，所以每次都会去请求 DB，如果瞬间流量过大，穿透到 DB，导致宕机。

2 singleflight 的实现

还记得 GeeCache 第五天 最后的测试结果吗？

2020/02/16 21:17:45 [Server http://localhost:8003] Pick peer http://localhost:8001
2020/02/16 21:17:45 [Server http://localhost:8003] Pick peer http://localhost:8001
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我们并发了 N 个请求 ?key=Tom，8003 节点向 8001 同时发起了 N 次请求。假设对数据库的访问没有做任何限制的，很可能向数据库也发起 N 次请求，容易导致缓存击穿和穿透。即使对数据库做了防护，HTTP 请求是非常耗费资源的操作，针对相同的 key，8003 节点向 8001 发起三次请求也是没有必要的。那这种情况下，我们如何做到只向远端节点发起一次请求呢？

geecache 实现了一个名为 singleflight 的 package 来解决这个问题。

day6-single-flight/geecache/singleflight/singleflight.go - github

首先创建 call 和 Group 类型。

package singleflight

import "sync"

type call struct {
	wg  sync.WaitGroup
	val interface{}
	err error
}

type Group struct {
	mu sync.Mutex       // protects m
	m  map[string]*call
}
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• call 代表正在进行中，或已经结束的请求。使用 sync.WaitGroup 锁避免重入。
• Group 是 singleflight 的主数据结构，管理不同 key 的请求(call)。

实现 Do 方法

func (g *Group) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
	g.mu.Lock()
	if g.m == nil {
		g.m = make(map[string]*call)
	}
	if c, ok := g.m[key]; ok {
		g.mu.Unlock()
		c.wg.Wait()
		return c.val, c.err
	}
	c := new(call)
	c.wg.Add(1)
	g.m[key] = c
	g.mu.Unlock()

	c.val, c.err = fn()
	c.wg.Done()

	g.mu.Lock()
	delete(g.m, key)
	g.mu.Unlock()
	
	return c.val, c.err
}
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• Do 方法，接收 2 个参数，第一个参数是 key，第二个参数是一个函数 fn。Do 的作用就是，针对相同的 key，无论 Do 被调用多少次，函数 fn 都只会被调用一次，等待 fn 调用结束了，返回返回值或错误。

g.mu 是保护 Group 的成员变量 m 不被并发读写而加上的锁。为了便于理解 Do 函数，我们将 g.mu 暂时去掉。并且把 g.m 延迟初始化的部分去掉，延迟初始化的目的很简单，提高内存使用效率。

剩下的逻辑就很清晰了：

func (g *Group) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
	if c, ok := g.m[key]; ok {
		c.wg.Wait()   // 如果请求正在进行中，则等待
		return c.val, c.err  // 请求结束，返回结果
	}
	c := new(call)
	c.wg.Add(1)       // 发起请求前加锁
	g.m[key] = c      // 添加到 g.m，表明 key 已经有对应的请求在处理

	c.val, c.err = fn() // 调用 fn，发起请求
	c.wg.Done()         // 请求结束

    delete(g.m, key)    // 更新 g.m
    
	return c.val, c.err // 返回结果
}
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并发协程之间不需要消息传递，非常适合 sync.WaitGroup。

• wg.Add(1) 锁加1。
• wg.Wait() 阻塞，直到锁被释放。
• wg.Done() 锁减1。

3 singleflight 的使用

day6-single-flight/geecache/geecache.go - github

type Group struct {
	name      string
	getter    Getter
	mainCache cache
	peers     PeerPicker
	// use singleflight.Group to make sure that
	// each key is only fetched once
	loader *singleflight.Group
}

func NewGroup(name string, cacheBytes int64, getter Getter) *Group {
    // ...
	g := &Group{
        // ...
		loader:    &singleflight.Group{},
	}
	return g
}

func (g *Group) load(key string) (value ByteView, err error) {
	// each key is only fetched once (either locally or remotely)
	// regardless of the number of concurrent callers.
	viewi, err := g.loader.Do(key, func() (interface{}, error) {
		if g.peers != nil {
			if peer, ok := g.peers.PickPeer(key); ok {
				if value, err = g.getFromPeer(peer, key); err == nil {
					return value, nil
				}
				log.Println("[GeeCache] Failed to get from peer", err)
			}
		}

		return g.getLocally(key)
	})

	if err == nil {
		return viewi.(ByteView), nil
	}
	return
}
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• 修改 geecache.go 中的 Group，添加成员变量 loader，并更新构建函数 NewGroup。
• 修改 load 函数，将原来的 load 的逻辑，使用 g.loader.Do 包裹起来即可，这样确保了并发场景下针对相同的 key，load 过程只会调用一次。

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4 总结

使用waitGroup 锁机制 实现请求的并发控制，保证只执行一次函数。