redis 缓存设计

1. 前言

学习redis 缓存，可以是为了技术面试；可以是为了应用实践，在开发设计过程中引入缓存，提高性能。比如常见的面试题：

2. 什么是缓存预热、击穿、穿透和雪崩

2.1 缓存预热

缓存预热就是系统上线后，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！

解决方式：Java中可以使用 @PostConstruct 初始化白名单数据

2.2 缓存雪崩

2.2.1 什么是缓存雪崩

缓存雪崩就是瞬间过期数据量太大，导致对数据库服务器造成压力。

2.2.2 什么情况下会发生缓存雪崩

redis 主机挂了， Redis全盘崩溃，偏硬件运维
redis 中有大量key 同时过期大面积失效，偏软件开发

2.2.3 如何预防和解决

1）redis 中 key 设置为永不过期 or 过期时间错开
2）redis 缓存集群实现高可用

1. 主从 + 哨兵
2. Redis 集群
3. 开启Redis 持久化机制 aof / rdb，尽快恢复缓存集群

3）多缓存结合预防雪崩：ehcache 本地缓存 + redis缓存
4）服务降级：Hystrix 或者 sentinel 限流 & 降级

2.3 缓存穿透

2.3.1 缓存穿透是什么

缓存穿透 就是请求去查询一条数据，先查redis，redis里面没有，再查mysql，mysql里面无，都查询不到该条记录，但是请求每次都会打到数据库上面去，导致后台数据库压力暴增。

2.3.1 如何预防和解决

缓存穿透的发生一般有这两种情况：

1. 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；
2. 黑客恶意攻击，故意大量访问某些读取不存在数据的业务；

应对缓存穿透的方案，常见的方案有三种。

1. 非法请求的限制：当有大量恶意请求访问不存在的数据的时候，也会发生缓存穿透，因此在 API 入口处我们要判断求请求参数是否合理，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。
2. 设置空值或者默认值：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，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。
3. 使用布隆过滤器快速判断数据是否存在，避免通过查询数据库来判断数据是否存在：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。

2.4 缓存击穿

我们的业务通常会有几个数据会被频繁地访问，比如秒杀活动，这类被频地访问的数据被称为热点数据。

2.4.1 什么是缓存击穿

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，这就是缓存击穿的问题。

2.4.2 如何预防和解决

可以发现缓存击穿跟缓存雪崩很相似，你可以认为缓存击穿是缓存雪崩的一个子集。 应对缓存击穿可以采取前面说到两种方案：

• 互斥锁方案（Redis 中使用 setNX 方法设置一个状态位，表示这是一种锁定状态），保证同一时间只有一个业务线程请求缓存，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。
• 不给热点数据设置过期时间，由后台异步更新缓存，或者在热点数据准备要过期前，提前通知后台线程更新缓存以及重新设置过期时间；

2.5 小总结

缓存主要存在的问题是 缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透。

针对缓存不同的触发场景，解决方案也不同。

3. 说说常见的缓存更新策略？

常见的缓存更新策略共有3种：

1. Cache Aside（旁路缓存）策略；
2. Read/Write Through（读穿 / 写穿）策略；
3. Write Back（写回）策略；

实际开发中，Redis 和 MySQL 的更新策略用的是 Cache Aside，另外两种策略应用不了。

3.1 Cache Aside（旁路缓存）策略

Cache Aside（旁路缓存）策略是最常用的，应用程序直接与「数据库、缓存」交互，并负责对缓存的维护，该策略又可以细分为「读策略」和「写策略」。

写策略的步骤：
1）先更新数据库中的数据，再删除缓存中的数据。

读策略的步骤：
1）如果读取的数据命中了缓存，则直接返回数据；
2）如果读取的数据没有命中缓存，则从数据库中读取数据，然后将数据写入到缓存，并且返回给用户。

注意，写策略的步骤的顺序不能倒过来，即不能先删除缓存再更新数据库，原因是在「读+写」并发的时候，会出现缓存和数据库的数据不一致性的问题。

举个例子，假设某个用户的年龄是 20，请求 A 要更新用户年龄为 21，所以它会删除缓存中的内容。这时，另一个请求 B 要读取这个用户的年龄，它查询缓存发现未命中后，会从数据库中读取到年龄为 20，并且写入到缓存中，然后请求 A 继续更改数据库，将用户的年龄更新为 21。

最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库的数据不一致。

为什么「先更新数据库再删除缓存」不会有数据不一致的问题？

继续用「读 + 写」请求的并发的场景来分析。

假如某个用户数据在缓存中不存在，请求 A 读取数据时从数据库中查询到年龄为 20，在未写入缓存中时另一个请求 B 更新数据。它更新数据库中的年龄为 21，并且清空缓存。这时请求 A 把从数据库中读到的年龄为 20 的数据写入到缓存中。

最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库数据不一致。 从上面的理论上分析，先更新数据库，再删除缓存也是会出现数据不一致性的问题，但是在实际中，这个问题出现的概率并不高。

因为缓存的写入通常要远远快于数据库的写入，所以在实际中很难出现请求 B 已经更新了数据库并且删除了缓存，请求 A 才更新完缓存的情况。而一旦请求 A 早于请求 B 删除缓存之前更新了缓存，那么接下来的请求就会因为缓存不命中而从数据库中重新读取数据，所以不会出现这种不一致的情况。

Cache Aside 策略适合读多写少的场景，不适合写多的场景，因为当写入比较频繁时，缓存中的数据会被频繁地清理，这样会对缓存的命中率有一些影响。如果业务对缓存命中率有严格的要求，那么可以考虑两种解决方案：

1. 一种做法是在更新数据时也更新缓存，只是在更新缓存前先加一个分布式锁，因为这样在同一时间只允许一个线程更新缓存，就不会产生并发问题了。当然这么做对于写入的性能会有一些影响；
2. 另一种做法同样也是在更新数据时更新缓存，只是给缓存加一个较短的过期时间，这样即使出现缓存不一致的情况，缓存的数据也会很快过期，对业务的影响也是可以接受。

3.2 Read/Write Through（读穿 / 写穿）策略

Read/Write Through（读穿 / 写穿）策略原则是应用程序只和缓存交互，不再和数据库交互，而是由缓存和数据库交互，相当于更新数据库的操作由缓存自己代理了。

1）Read Through 策略
先查询缓存中数据是否存在，如果存在则直接返回，如果不存在，则由缓存组件负责从数据库查询数据，并将结果写入到缓存组件，最后缓存组件将数据返回给应用。

2）Write Through 策略
当有数据更新的时候，先查询要写入的数据在缓存中是否已经存在：

1. 如果缓存中数据已经存在，则更新缓存中的数据，并且由缓存组件同步更新到数据库中，然后缓存组件告知应用程序更新完成。
2. 如果缓存中数据不存在，直接更新数据库，然后返回；

下面是 Read Through/Write Through 策略的示意图：

Read Through/Write Through 策略的特点是由缓存节点而非应用程序来和数据库打交道，在我们开发过程中相比 Cache Aside 策略要少见一些，原因是我们经常使用的分布式缓存组件，无论是 Memcached 还是 Redis 都不提供写入数据库和自动加载数据库中的数据的功能。而我们在使用本地缓存的时候可以考虑使用这种策略。

3.3 Write Back（写回）策略

Write Back（写回）策略在更新数据的时候，只更新缓存，同时将缓存数据设置为脏的，然后立马返回，并不会更新数据库。对于数据库的更新，会通过批量异步更新的方式进行。

实际上，Write Back（写回）策略也不能应用到我们常用的数据库和缓存的场景中，因为 Redis 并没有异步更新数据库的功能。

Write Back 是计算机体系结构中的设计，比如 CPU 的缓存、操作系统中文件系统的缓存都采用了 Write Back（写回）策略。

Write Back 策略特别适合写多的场景，因为发生写操作的时候， 只需要更新缓存，就立马返回了。比如，写文件的时候，实际上是写入到文件系统的缓存就返回了，并不会写磁盘。

但是带来的问题是，数据不是强一致性的，而且会有数据丢失的风险，因为缓存一般使用内存，而内存是非持久化的，所以一旦缓存机器掉电，就会造成原本缓存中的脏数据丢失。所以你会发现系统在掉电之后，之前写入的文件会有部分丢失，就是因为 Page Cache 还没有来得及刷盘造成的。

这里贴一张 CPU 缓存与内存使用 Write Back 策略的流程图：

4. 如何保证缓存和数据库数据的一致性？

4.1 先更新数据库，还是先更新缓存？

由于引入了缓存，那么在数据更新时，不仅要更新数据库，而且要更新缓存，这两个更新操作存在前后的问题：

1. 先更新数据库，再更新缓存；
2. 先更新缓存，再更新数据库；

下面详细分析

1）先更新数据库，再更新缓存
举个例子，比如「请求 A 」和「请求 B 」两个请求，同时更新「同一条」数据，则可能出现这样的顺序：

A 请求先将数据库的数据更新为 1，然后在更新缓存前，请求 B 将数据库的数据更新为 2，紧接着也把缓存更新为 2，然后 A 请求更新缓存为 1。

此时，数据库中的数据是 2，而缓存中的数据却是 1，出现了缓存和数据库中的数据不一致的现象。

2）先更新缓存，再更新数据库

那换成「先更新缓存，再更新数据库」这个方案，还会有问题吗？

依然还是存在并发的问题，分析思路也是一样。

假设「请求 A 」和「请求 B 」两个请求，同时更新「同一条」数据，则可能出现这样的顺序：

A 请求先将缓存的数据更新为 1，然后在更新数据库前，B 请求来了， 将缓存的数据更新为 2，紧接着把数据库更新为 2，然后 A 请求将数据库的数据更新为 1。

此时，数据库中的数据是 1，而缓存中的数据却是 2，出现了缓存和数据库中的数据不一致的现象。

所以，无论是「先更新数据库，再更新缓存」，还是「先更新缓存，再更新数据库」，这两个方案都存在并发问题，当两个请求并发更新同一条数据的时候，可能会出现缓存和数据库中的数据不一致的现象。

4.2 先更新数据库，还是先删除缓存？

写策略的步骤：

1. 更新数据库中的数据；
2. 删除缓存中的数据。

读策略的步骤：

1. 如果读取的数据命中了缓存，则直接返回数据；
2. 如果读取的数据没有命中缓存，则从数据库中读取数据，然后将数据写入到缓存，并且返回给用户。

「写策略」的时候，到底该选择哪种顺序呢？

1. 先删除缓存，再更新数据库；
2. 先更新数据库，再删除缓存。

1）先删除缓存，再更新数据库
假设某个用户的年龄是 20，请求 A 要更新用户年龄为 21，所以它会删除缓存中的内容。这时，另一个请求 B 要读取这个用户的年龄，它查询缓存发现未命中后，会从数据库中读取到年龄为 20，并且写入到缓存中，然后请求 A 继续更改数据库，将用户的年龄更新为 21。

最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库的数据不一致。

可以看到，先删除缓存，再更新数据库，在「读 + 写」并发的时候，还是会出现缓存和数据库的数据不一致的问题。

2）先更新数据库，再删除缓存
继续用「读 + 写」请求的并发的场景来分析。

假如某个用户数据在缓存中不存在，请求 A 读取数据时从数据库中查询到年龄为 20，在未写入缓存中时另一个请求 B 更新数据。它更新数据库中的年龄为 21，并且清空缓存。这时请求 A 把从数据库中读到的年龄为 20 的数据写入到缓存中。

最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库数据不一致。

从上面的理论上分析，先更新数据库，再删除缓存也是会出现数据不一致性的问题，但是在实际中，这个问题出现的概率并不高。

因为缓存的写入通常要远远快于数据库的写入，所以在实际中很难出现请求 B 已经更新了数据库并且删除了缓存，请求 A 才更新完缓存的情况。

而一旦请求 A 早于请求 B 删除缓存之前更新了缓存，那么接下来的请求就会因为缓存不命中而从数据库中重新读取数据，所以不会出现这种不一致的情况。

所以，「先更新数据库 + 再删除缓存」的方案，是可以保证数据一致性的。

为了确保万无一失，还给缓存数据加上了「过期时间」，就算在这期间存在缓存数据不一致，有过期时间来兜底，这样也能达到最终一致。

4.3 小总结

「先更新数据库，再删除缓存」的方案虽然保证了数据库与缓存的数据一致性，但是每次更新数据的时候，缓存的数据都会被删除，这样会对缓存的命中率带来影响。

所以，如果我们的业务对缓存命中率有很高的要求，我们可以采用「更新数据库 + 更新缓存」的方案，因为更新缓存并不会出现缓存未命中的情况。

但是这个方案前面我们也分析过，在两个更新请求并发执行的时候，会出现数据不一致的问题，因为更新数据库和更新缓存这两个操作是独立的，而我们又没有对操作做任何并发控制，那么当两个线程并发更新它们的话，就会因为写入顺序的不同造成数据的不一致。

所以我们得增加一些手段来解决这个问题，这里提供两种做法：

1. 在更新缓存前先加个分布式锁，保证同一时间只运行一个请求更新缓存，就会不会产生并发问题了，当然引入了锁后，对于写入的性能就会带来影响。
2. 在更新完缓存时，给缓存加上较短的过期时间，这样即时出现缓存不一致的情况，缓存的数据也会很快过期，对业务还是能接受的。

对了，针对「先删除缓存，再更新数据库」方案在「读 + 写」并发请求而造成缓存不一致的解决办法是「延迟双删」。

延迟双删实现的伪代码如下：

#删除缓存
redis.delKey(X)
#更新数据库
db.update(X)
#睡眠
Thread.sleep(N)
#再删除缓存
redis.delKey(X)
1
2
3
4
5
6
7
8

加了个睡眠时间，主要是为了确保请求 A 在睡眠的时候，请求 B 能够在这这一段时间完成「从数据库读取数据，再把缺失的缓存写入缓存」的操作，然后请求 A 睡眠完，再删除缓存。

所以，请求 A 的睡眠时间就需要大于请求 B 「从数据库读取数据 + 写入缓存」的时间。

但是具体睡眠多久其实是个玄学，很难评估出来，所以这个方案也只是尽可能保证一致性而已，极端情况下，依然也会出现缓存不一致的现象。

因此，还是比较建议用「先更新数据库，再删除缓存」的方案。

5. 面试题及解析

5.1 为什么是删除缓存，而不是更新缓存呢？

删除一个数据，相比更新一个数据更加轻量级，出问题的概率更小。在实际业务中，缓存的数据可能不是直接来自数据库表，也许来自多张底层数据表的聚合。

比如商品详情信息，在底层可能会关联商品表、价格表、库存表等，如果更新了一个价格字段，那么就要更新整个数据库，还要关联的去查询和汇总各个周边业务系统的数据，这个操作会非常耗时。 从另外一个角度，不是所有的缓存数据都是频繁访问的，更新后的缓存可能会长时间不被访问，所以说，从计算资源和整体性能的考虑，更新的时候删除缓存，等到下次查询命中再填充缓存，是一个更好的方案。

系统设计中有一个思想叫 Lazy Loading，适用于那些加载代价大的操作，删除缓存而不是更新缓存，就是懒加载思想的一个应用。

5.2 如何保证两个操作都能执行成功？

背景描述

为了提升数据访问的性能，引入 Redis 作为 MySQL 缓存层，但是这件事情并不是那么简单，因为还要考虑 Redis 和 MySQL 双写一致性的问题。

经过一番周折，最终选用了「先更新数据库，再删缓存」的策略，原因是这个策略即使在并发读写时，也能最大程度保证数据一致性。

为了避免数据更新不及时，还搞了个兜底的方案，就是给缓存加上了过期时间。

本以为就这样不会在出现数据一致性的问题，结果将功能上线后，老板还是收到用户的投诉「说自己明明更新了数据，但是数据要过一段时间才生效」，客户接受不了。

「先更新数据库， 再删除缓存」其实是两个操作，这次客户投诉的问题就在于，在删除缓存（第二个操作）的时候失败了，导致缓存中的数据是旧值，而数据库是最新值。

好在之前给缓存加上了过期时间，所以才会出现客户说的过一段时间才更新生效的现象，假设如果没有这个过期时间的兜底，那后续的请求读到的就会一直是缓存中的旧数据，这样问题就更大了。

所以新的问题来了，如何保证「先更新数据库 ，再删除缓存」这两个操作能执行成功？

问题解析

这次用户的投诉是因为在删除缓存（第二个操作）的时候失败了，导致缓存还是旧值，而数据库是最新值，造成数据库和缓存数据不一致的问题，会对敏感业务造成影响。

举个例子，来说明下。

应用要把数据 X 的值从 1 更新为 2，先成功更新了数据库，然后在 Redis 缓存中删除 X 的缓存，但是这个操作却失败了，这个时候数据库中 X 的新值为 2，Redis 中的 X 的缓存值为 1，出现了数据库和缓存数据不一致的问题。

那么，后续有访问数据 X 的请求，会先在 Redis 中查询，因为缓存并没有 诶删除，所以会缓存命中，但是读到的却是旧值 1。

其实不管是先操作数据库，还是先操作缓存，只要第二个操作失败都会出现数据一致的问题。

问题原因知道了，该怎么解决呢？有两种方法：

1. 重试机制。
2. 订阅 MySQL binlog，再操作缓存。

1）重试机制

我们可以引入消息队列，将第二个操作（删除缓存）要操作的数据加入到消息队列，由消费者来操作数据。

1. 如果应用删除缓存失败，可以从消息队列中重新读取数据，然后再次删除缓存，这个就是重试机制。当然，如果重试超过的一定次数，还是没有成功，我们就需要向业务层发送报错信息了。
2. 如果删除缓存成功，就要把数据从消息队列中移除，避免重复操作，否则就继续重试。

举个例子，来说明重试机制的过程。

2）订阅 MySQL binlog，再操作缓存

「先更新数据库，再删缓存」的策略的第一步是更新数据库，那么更新数据库成功，就会产生一条变更日志，记录在 binlog 里。

于是我们就可以通过订阅 binlog 日志，拿到具体要操作的数据，然后再执行缓存删除，阿里巴巴开源的 Canal 中间件就是基于这个实现的。

Canal 模拟 MySQL 主从复制的交互协议，把自己伪装成一个 MySQL 的从节点，向 MySQL 主节点发送 dump 请求，MySQL 收到请求后，就会开始推送 Binlog 给 Canal，Canal 解析 Binlog 字节流之后，转换为便于读取的结构化数据，供下游程序订阅使用。

下图是 Canal 的工作原理：

所以，如果要想保证「先更新数据库，再删缓存」策略第二个操作能执行成功，我们可以使用「消息队列来重试缓存的删除」，或者「订阅 MySQL binlog 再操作缓存」，这两种方法有一个共同的特点，都是采用异步操作缓存。

5.3 如何设计一个缓存策略，可以动态缓存热点数据呢？

由于数据存储受限，系统并不是将所有数据都需要存放到缓存中的，而只是将其中一部分热点数据缓存起来，所以我们要设计一个热点数据动态缓存的策略。

热点数据动态缓存的策略总体思路：通过数据最新访问时间来做排名，并过滤掉不常访问的数据，只留下经常访问的数据。

以电商平台场景中的例子，现在要求只缓存用户经常访问的 Top 1000 的商品。具体细节如下：

1. 先通过缓存系统做一个排序队列（比如存放 1000 个商品），系统会根据商品的访问时间，更新队列信息，越是最近访问的商品排名越靠前；
2. 同时系统会定期过滤掉队列中排名最后的 200 个商品，然后再从数据库中随机读取出 200 个商品加入队列中；
3. 这样当请求每次到达的时候，会先从队列中获取商品 ID，如果命中，就根据 ID 再从另一个缓存数据结构中读取实际的商品信息，并返回。

在 Redis 中可以用 zadd 方法和 zrange 方法来完成排序队列和获取 200 个商品的操作。