如何设计一个缓存系统？

设计一个缓存系统，不得不要考虑的问题就是：缓存穿透、缓存击穿与失效时的雪崩效应。

缓存穿透

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写的，并且出于容错考虑，如果从存储层查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。

解决方案

有很多种方法可以有效地解决缓存穿透问题，最常见的则是采用布隆过滤器，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个一定不存在的数据会被 这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。另外也有一个更为简单粗暴的方法（我们采用的就是这种），如果一个查询返回的数据为空（不管是数 据不存在，还是系统故障），我们仍然把这个空结果进行缓存，但它的过期时间会很短，最长不超过五分钟。

缓存雪崩

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重雪崩。

解决方案

缓存失效时的雪崩效应对底层系统的冲击非常可怕。大多数系统设计者考虑用加锁或者队列的方式保证缓存的单线 程（进程）写，从而避免失效时大量的并发请求落到底层存储系统上。这里分享一个简单方案就时讲缓存失效时间分散开，比如我们可以在原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。

缓存击穿

对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题，这个和缓存雪崩的区别在于这里针对某一key缓存，前者则是很多key。

缓存在某个时间点过期的时候，恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，这些请求发现缓存过期一般都会从后端DB加载数据并回设到缓存，这个时候大并发的请求可能会瞬间把后端DB压垮。

解决方案

1.使用互斥锁(mutex key)

业界比较常用的做法，是使用mutex。简单地来说，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去load db，而是先使用缓存工具的某些带成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一个mutex key，当操作返回成功时，再进行load db的操作并回设缓存；否则，就重试整个get缓存的方法。

SETNX，是「SET if Not eXists」的缩写，也就是只有不存在的时候才设置，可以利用它来实现锁的效果。在redis2.6.1之前版本未实现setnx的过期时间，所以这里给出两种版本代码参考：

//2.6.1前单机版本锁 Stringget(Stringkey){ Stringvalue=redis.get(key); if(value==null){ if(redis.setnx(key_mutex,"1")){ //3mintimeouttoavoidmutexholdercrash redis.expire(key_mutex,3*60) value=db.get(key); redis.set(key,value); redis.delete(key_mutex); }else{ //其他线程休息50毫秒后重试 Thread.sleep(50); get(key); } } }

最新版本代码：

publicStringget(key){ Stringvalue=redis.get(key); if(value==null){//代表缓存值过期 //设置3min的超时，防止del操作失败的时候，下次缓存过期一直不能loaddb if(redis.setnx(key_mutex,1,3*60)==1){//代表设置成功 value=db.get(key); redis.set(key,value,expire_secs); redis.del(key_mutex); }else{//这个时候代表同时候的其他线程已经loaddb并回设到缓存了，这时候重试获取缓存值即可 sleep(50); get(key);//重试 } }else{ returnvalue; } }

memcache代码：

if(memcache.get(key)==null){ //3mintimeouttoavoidmutexholdercrash if(memcache.add(key_mutex,3*60*1000)==true){ value=db.get(key); memcache.set(key,value); memcache.delete(key_mutex); }else{ sleep(50); retry(); } }

2. "提前"使用互斥锁(mutex key)：

在value内部设置1个超时值(timeout1), timeout1比实际的memcache timeout(timeout2)小。当从cache读取到timeout1发现它已经过期时候，马上延长timeout1并重新设置到cache。然后再从数据库加载数据并设置到cache中。伪代码如下：

v=memcache.get(key); if(v==null){ if(memcache.add(key_mutex,3*60*1000)==true){ value=db.get(key); memcache.set(key,value); memcache.delete(key_mutex); }else{ sleep(50); retry(); } }else{ if(v.timeout<=?now())?{?? ????????if?(memcache.add(key_mutex,?3?*?60?*?1000)?==?true)?{?? ????????????//?extend?the?timeout?for?other?threads?? ????????????v.timeout?+=?3?*?60?*?1000;?? ????????????memcache.set(key,?v,?KEY_TIMEOUT?*?2);?? ?? ????????????//?load?the?latest?value?from?db?? ????????????v?=?db.get(key);?? ????????????v.timeout?=?KEY_TIMEOUT;?? ????????????memcache.set(key,?value,?KEY_TIMEOUT?*?2);?? ????????????memcache.delete(key_mutex);?? ????????}?else?{?? ????????????sleep(50);?? ????????????retry();?? ????????}?? ????}?? }?

3. "永远不过期"：

这里的“永远不过期”包含两层意思：

(1) 从redis上看，确实没有设置过期时间，这就保证了，不会出现热点key过期问题，也就是“物理”不过期。

(2) 从功能上看，如果不过期，那不就成静态的了吗？所以我们把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建，也就是“逻辑”过期

从实战看，这种方法对于性能非常友好，唯一不足的就是构建缓存时候，其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据，但是对于一般的互联网功能来说这个还是可以忍受。

Stringget(finalStringkey){ Vv=redis.get(key); Stringvalue=v.getValue(); longtimeout=v.getTimeout(); if(v.timeout<=?System.currentTimeMillis())?{?? ????????????//?异步更新后台异常执行?? ????????????threadPool.execute(new?Runnable()?{?? ????????????????public?void?run()?{?? ????????????????????String?keyMutex?=?"mutex:"?+?key;?? ????????????????????if?(redis.setnx(keyMutex,?"1"))?{?? ????????????????????????//?3?min?timeout?to?avoid?mutex?holder?crash?? ????????????????????????redis.expire(keyMutex,?3?*?60);?? ????????????????????????String?dbValue?=?db.get(key);?? ????????????????????????redis.set(key,?dbValue);?? ????????????????????????redis.delete(keyMutex);?? ????????????????????}?? ????????????????}?? ????????????});?? ????????}?? ????????return?value;?? }

4. 资源保护：

采用netflix的hystrix，可以做资源的隔离保护主线程池，如果把这个应用到缓存的构建也未尝不可。

没有最佳只有最合适

四种方案来源网络，详文链接：http://carlosfu.iteye.com/blog/2269687

总结

针对业务系统，永远都是具体情况具体分析，没有最好，只有最合适。

最后，对于缓存系统常见的缓存满了和数据丢失问题，需要根据具体业务分析，通常我们采用LRU策略处理溢出，Redis的RDB和AOF持久化策略来保证一定情况下的数据安全。

原文标题：如何设计缓存系统：缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩解决方案分析

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责任编辑：haq