缓存(Cache), 就是数据交换的缓冲区,俗称的缓存就是缓冲区内的数据,一般从数据库中获取,存储于本地代码。
实际开发中,会构筑多级缓存来使系统运行速度进一步提升,本次介绍 redis 中的缓存并发使用。
标准的操作方式就是查询数据库之前先查询缓存,如果缓存数据存在,则直接从缓存中返回,如果缓存数据不存在,再查询数据库,然后将数据存入redis。
缓存更新是redis为了节约内存而设计出来的一个东西,主要是因为内存数据宝贵,当我们向redis插入太多数据,此时就可能会导致缓存中的数据过多,所以redis会对部分数据进行更新,或者把他叫为淘汰更合适。
由于我们的缓存的数据源来自于数据库,而数据库的数据是会发生变化的,因此,如果当数据库中数据发生变化,而缓存却没有同步,此时就会有一致性问题存在。
综合考虑使用方案一,Cache Aside Pattern。方案一调用者如何处理呢?
/**
* 查询资源详情
* @param id
* @return
*/
@Override
public ResModel<Resource> getResource(Integer id) {
String key = CACHE_RESOURCE_KEY + id;
//查询缓存
String json = redisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isNotBlank(json)){//缓存存在
Resource resource = JSONUtil.toBean(json,Resource.class);
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
//缓存不存在,查询数据库
Resource resource = getById(id);
if (resource==null){
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
//添加缓存
redisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(resource), Duration.ofMinutes(30));
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
/**
* 更新资源信息
* @param resource
* @return
*/
public ResModel updateRes(Resource resource) {
Integer id = resource.getId();
if (id==null){
return ResModel.error(Code.FAIL);
}
updateById(resource);
redisTemplate.delete(CACHE_RESOURCE_KEY+id);
return ResModel.success(Code.UPDATE,resource);
}
前置准备工作:
准备工作:
实施:
缓存预热就是系统启动前,提前将相关的缓存数据直接加载到缓存系统。避免在用户请求的时候,先查询数据库,然后再将数据缓存的问题!用户直接查询事先被预热的缓存数据!
缓存穿透 :缓存穿透是指客户端请求的数据在缓存中和数据库中都不存在,这样缓存永远不会生效,这些请求都会打到数据库。
常见的解决方案有两种:
缓存空对象思路分析: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缓存了。
布隆过滤:布隆过滤器其实采用的是哈希思想来解决这个问题,通过一个庞大的二进制数组,走哈希思想去判断当前这个要查询的这个数据是否存在,如果布隆过滤器判断存在,则放行,这个请求会去访问redis,哪怕此时redis中的数据过期了,但是数据库中一定存在这个数据,在数据库中查询出来这个数据后,再将其放入到redis中,假设布隆过滤器判断这个数据不存在,则直接返回这种方式优点在于节约内存空间,存在误判,误判原因在于:布隆过滤器走的是哈希思想,只要哈希思想,就可能存在哈希冲突。
缓存穿透产生的原因是什么?
缓存穿透的解决方案有哪些?
/**
* 查询资源详情
* @param id
* @return
*/
@Override
public ResModel<Resource> getResource(Integer id) {
String key = CACHE_RESOURCE_KEY + id;
//查询缓存
String json = redisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isNotBlank(json)){//缓存存在
Resource resource = JSONUtil.toBean(json,Resource.class);
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
//命中空值
if (json!=null){
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
//缓存不存在,查询数据库
Resource resource = getById(id);
if (resource==null){
// 缓存空值解决 缓存穿透,设置较短的过期时间
redisTemplate.opsForValue().set(key,"",Duration.ofMinutes(2));
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
//添加缓存
redisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(resource), Duration.ofMinutes(30));
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
缓存雪崩是指在同一时段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机,导致大量请求到达数据库,带来巨大压力。
解决方案:
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。
解决方案:
逻辑分析:假设线程1在查询缓存之后,本来应该去查询数据库,然后把这个数据重新加载到缓存的,此时只要线程1走完这个逻辑,其他线程就都能从缓存中加载这些数据了,但是假设在线程1没有走完的时候,后续的线程2,线程3,线程4同时过来访问当前这个方法, 那么这些线程都不能从缓存中查询到数据,那么他们就会同一时刻来访问查询缓存,都没查到,接着同一时间去访问数据库,同时的去执行数据库代码,对数据库访问压力过大。
核心思路:利用 redis 的 setnx 方法来表示获取锁,该方法含义是redis中如果没有这个key,则插入成功,返回1,在stringRedisTemplate中返回true, 如果有这个key则插入失败,则返回0,在stringRedisTemplate返回false,我们可以通过true,或者是false,来表示是否有线程成功插入key,成功插入的key的线程我们认为他就是获得到锁的线程。
/**
* 互斥锁解决 缓存击穿
* @param id
* @return
*/
public ResModel<Resource> queryWithMutex(Integer id){
String key = CACHE_RESOURCE_KEY + id;
//查询缓存
String json = redisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isNotBlank(json)){//缓存存在
Resource resource = JSONUtil.toBean(json,Resource.class);
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
//命中空值
if (json!=null){
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
String lockKey=Mutex_KEY+id;
Resource resource = null;
try {
//尝试获得锁
boolean b = tryLock(lockKey);
//没有获得锁,重试
if (!b){
return queryWithMutex(id);
}
//缓存不存在,查询数据库
resource = getById(id);
if (resource==null){
// 缓存空值解决 缓存穿透
redisTemplate.opsForValue().set(key,"",Duration.ofMinutes(2));
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
//添加缓存
redisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(resource), Duration.ofMinutes(30));
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
//释放锁
unlock(lockKey);
}
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
/**
* 获得锁
* @param key
* @return
*/
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", Duration.ofSeconds(10));
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
/**
* 释放锁
* @param key
*/
private void unlock(String key) {
redisTemplate.delete(key);
}
思路分析:当用户开始查询redis时,判断是否命中,如果没有命中则直接返回空数据,不查询数据库,而一旦命中后,将value取出,判断value中的过期时间是否满足,如果没有过期,则直接返回redis中的数据,如果过期,则在开启独立线程后直接返回之前的数据,独立线程去重构数据,重构完成后释放互斥锁。
//创建线程池
private static final ExecutorService THREAD_POOL= Executors.newSingleThreadExecutor();
/**
* 逻辑过期时间解决 缓存击穿
* @param id
* @return
*/
public ResModel<Resource> queryWithLogicalExpire(Integer id) {
String key = CACHE_RESOURCE_KEY + id;
//查询缓存
String json = redisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isBlank(json)){//缓存不存在
return ResModel.error(Code.NON_EXISTENT);
}
//缓存存在
RedisData redisData = JSONUtil.toBean(json, RedisData.class);
Resource resource = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), Resource.class);
LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())){
//未过期
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
//过期
String lockKey=Mutex_KEY+id;
boolean b = tryLock(lockKey);
if (b){
THREAD_POOL.submit(()->{
try {
Resource res = getById(id);
RedisData rd = new RedisData();
rd.setData(res);
//更新逻辑过期时间
rd.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusMinutes(30));
//添加缓存
redisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(rd));
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
//释放锁
unlock(key);
}
});
}
return ResModel.success(Code.SUCCESS,resource);
}
/**
* 获得锁
* @param key
* @return
*/
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", Duration.ofSeconds(10));
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
/**
* 释放锁
* @param key
*/
private void unlock(String key) {
redisTemplate.delete(key);
}
基于StringRedisTemplate封装一个缓存工具类,满足下列需求:
@Component
public class CacheClient {
private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
//创建线程池
private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
public CacheClient(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
}
/**
* 将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置TTL过期时间
* @param key
* @param value
* @param time
* @param unit
*/
public void set(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(value), time, unit);
}
/**
* 将任意Java对象序列化为json并存储在string类型的key中,并且可以设置逻辑过期时间,用于处理缓 存击穿问题
* @param key
* @param value
* @param time
* @param unit
*/
public void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
// 设置逻辑过期
RedisData redisData = new RedisData();
redisData.setData(value);
redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(unit.toSeconds(time)));
// 写入Redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(redisData));
}
/**
* 根据指定的key查询缓存,并反序列化为指定类型,利用缓存空值的方式解决 缓存穿透问题
* @param keyPrefix key的前缀
* @param id id
* @param type 返回值类型
* @param dbFallback 数据库回调函数
* @param time 时间
* @param unit 单位
* @param 返回值类型
* @param id类型
* @return
*/
public <R,ID> R queryWithPassThrough(
String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit){
String key = keyPrefix + id;
// 1.从redis查询缓存
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
// 2.判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
// 3.存在,直接返回
return JSONUtil.toBean(json, type);
}
// 判断命中的是否是空值
if (json != null) {
// 返回空
return null;
}
// 4.不存在,根据id查询数据库
R r = dbFallback.apply(id);
// 5.不存在,添加空值缓存
if (r == null) {
// 将空值写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", 2, TimeUnit.MINUTES);
// 返回空
return null;
}
// 6.存在,写入redis
this.set(key, r, time, unit);
return r;
}
/**
* 逻辑过期时间解决 缓存击穿
* @param keyPrefix key的前缀
* @param id id
* @param type 返回值类型
* @param dbFallback 数据库回调函数
* @param time 时间
* @param unit 单位
* @param 返回值类型
* @param id类型
* @return
*/
public <R, ID> R queryWithLogicalExpire(
String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
String key = keyPrefix + id;
// 1.从redis查询缓存
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
// 2.判断是否存在
if (StrUtil.isBlank(json)) {
// 3.不存在,直接返回
return null;
}
// 4.命中,需要先把json反序列化为对象
RedisData redisData = JSONUtil.toBean(json, RedisData.class);
R r = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), type);
LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
// 5.判断是否过期
if(expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
// 5.1.未过期,直接返回缓存信息
return r;
}
// 6.已过期,缓存重建
// 6.1.获取互斥锁
String lockKey = "lock:" + id;
boolean isLock = tryLock(lockKey);
// 6.2.判断是否获取锁成功
if (isLock){
// 6.3.成功,开启独立线程,实现缓存重建
CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
try {
// 查询数据库
R newR = dbFallback.apply(id);
// 重建缓存
this.setWithLogicalExpire(key, newR, time, unit);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}finally {
// 释放锁
unlock(lockKey);
}
});
}
// 6.4.返回过期的缓存信息
return r;
}
/**
* 互斥锁解决 缓存击穿
* @param keyPrefix key的前缀
* @param id id
* @param type 返回值类型
* @param dbFallback 数据库回调函数
* @param time 时间
* @param unit 单位
* @param 返回值类型
* @param id类型
* @return
*/
public <R, ID> R queryWithMutex(
String keyPrefix, ID id, Class<R> type, Function<ID, R> dbFallback, Long time, TimeUnit unit) {
String key = keyPrefix + id;
// 1.从redis查询缓存
String shopJson = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
// 2.判断是否存在
if (StrUtil.isNotBlank(shopJson)) {
// 3.存在,直接返回
return JSONUtil.toBean(shopJson, type);
}
// 判断命中的是否是空值
if (shopJson != null) {
// 返回空值
return null;
}
// 4.实现缓存重建
// 4.1.获取互斥锁
String lockKey = "lock:" + id;
R r = null;
try {
boolean isLock = tryLock(lockKey);
// 4.2.判断是否获取成功
if (!isLock) {
// 4.3.获取锁失败,休眠并重试
Thread.sleep(50);
return queryWithMutex(keyPrefix, id, type, dbFallback, time, unit);
}
// 4.4.获取锁成功,根据id查询数据库
r = dbFallback.apply(id);
// 5.不存在,缓存空值
if (r == null) {
// 将空值写入redis
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", 2, TimeUnit.MINUTES);
// 返回空值
return null;
}
// 6.存在,写入redis
this.set(key, r, time, unit);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}finally {
// 7.释放锁
unlock(lockKey);
}
// 8.返回
return r;
}
/**
* 尝试获取锁
* @param key
* @return
*/
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
/**
* 释放锁
* @param key
*/
private void unlock(String key) {
stringRedisTemplate.delete(key);
}
}