Redis 面試常見問題———快取雪崩、快取擊穿以及快取穿透
- 2021 年 10 月 18 日
- 筆記
在開發中會面臨快取異常可能會出現三個問題，分別是快取雪崩、快取擊穿和快取穿透。這三個問題會導致大量請求從快取轉移到資料庫，如果請求的並發量很大的話，就會導致資料庫崩潰。所以在面試官也會經常問這些問題。
快取雪崩
快取雪崩是指大量的請求無法在快取中處理，從而將請求轉移到資料庫中，導致數據壓力倍增。一個Redis實例可以支援萬級別的並發請求，而單個資料庫只能支援千級別的並發請求。兩者處理請求並發能力相差十倍，資料庫會由於壓力過大而導致雪崩。
這裡雪崩一般是由兩個原因組成，很多文章只寫快取同時過期的情況。
原因一：快取中大量的數據同時過期
一般設置快取數據會設置快取時間，在某一時刻，大量的快取同時過期，此時如果有請求訪問這些數據的話，快取不存在，會將請求轉移到資料庫，如果這些的請求量比較大的，導致資料庫的壓力增大，嚴重會導致資料庫崩潰。
針對大量快取同時失效帶來的雪崩，有兩種解決方案。
方案一： 過期時間設置隨機值
應該避免給數據設置相同的過期時間，在設置過期時間時，增加一點隨機值。
setRedis(key, value, time + Math.random() * 10000);
方案二: 服務降級
服務降低，比如使用hystrix，是指發生雪崩時，針對不同的數據採取不同的處理方式。
- 請求數據是非核心數據（比如商品屬性），暫時停止從快取查詢數據，直接返回預定資訊、空值或者錯誤值。
- 請求數據是核心數據（比如商品庫存、價格），仍然查詢快取，如果快取缺失，繼續在資料庫讀取。
原因二： redis 服務掛了
redis服務發生宕機，無法處理請求，這就會導致全部轉移到資料庫去，發生雪崩。
方案一： 添加服務熔斷
服務熔斷，就是發生雪崩時，暫停對快取的訪問。等redis服務恢復正常後，再允許訪問快取。
對redis所在的伺服器進行指標監控，比如QPS、CPU使用率、記憶體使用率等，如果發現redis服務宕機，而資料庫請求壓力倍增，此時可以啟動熔斷機制，暫停對快取和資料庫的訪問，比如使用Hystrix服務熔斷。
但是暫停對快取系統的訪問，但是對整個業務系統影響很大，導致很多數據不能查看。為了減少這種影響還有另一個方案：請求限流。
方案二： 請求限流
請求限流，就是限制前端請求每秒請求量，使得資料庫能承受前端全部請求。
比如前端允許每秒訪問1000次，其中900請求快取，100次才請求資料庫。
一旦發生雪崩，資料庫每秒請求激增到1000次，此時啟動請求限流，在前端入口只允許每秒請求100次，過多的請求直接拒絕。
無論使用服務熔斷或請求限流都是是發生雪崩後處理，這裡還有事先預防的方案。
通過主從節點的方式構建redis集群，如果redis主節點宕機，從節點可以切換成主節點。
快取擊穿
快取擊穿是指，針對某個訪問快取非常頻繁，無法在快取中處理，訪問該數據的請求一下子都請求資料庫，導致資料庫壓力倍增。
方案一：不設置過期時間
對於訪問特別頻繁的熱點數據，就不設置過期時間
方案二：使用互斥鎖
如果快取失效，只有拿到鎖才能訪問資料庫，降低資料庫並發訪問。
快取雪崩和快取擊穿的差別在於雪崩是大量的快取，擊穿是單一的快取。
快取穿透
快取穿透是指訪問的數據既不在redis快取中，也不在資料庫中，因為資料庫也不存在數據，也無法將資料庫數據寫入快取中，每次請求都要請求快取和伺服器。不過這樣也導致系統性能下降。
快取穿透會發生如下兩種情況：
- 誤操作，刪除了快取和數據的數據。
- 惡意攻擊： 專門訪問資料庫中不存在的數據。
方案一： 快取空值或預設值
發生快取穿透，在redis中快取一個空值或者實現預選設置好的值（比如0），後續請求查詢直接在redis中讀取空值或者預設值。
方案二： 使用布隆過濾器
- 布隆過濾器由一個初值都為0的bit數組和N個哈希函數組成，可以用來快速判斷某個數據是否存在。當數據寫入資料庫時，布隆過濾器會通過三個操作完成標記：
- 使用N個hash函數，分別計算這個數據的hash值，得到N個hash值。
- 把這N個hash值對bit數組的長度取模，得到每個hash值在數組中對位置。
- 把對應位置設置為1。如果數據不存在，那麼就沒用使用布隆過濾器標記過數據，那麼，bit數組對應的bit位為零。只要bit數組有一個不為1，就表明布隆過濾器就沒標記過該數據。
- 把數據寫入資料庫時，使用布隆過濾器做標記
- 當快取消失後，在去資料庫查詢之前，通過查詢布隆過濾器判斷數據是否存在，如果不存在，就不查詢資料庫。
還有在請求入庫添加檢測，把惡意請求（參數不合理、參數非法、參數不存在或者id小於0）直接過濾掉。
電商系統舉例
- 快取雪崩
* 電商首頁數據（電腦端、手機端），比如分類。設置這一類的快取需要給過期時間添加隨機數
- 快取擊穿
- 電商首頁的猜你喜歡商品，不設置超時時間，或者設置互斥鎖
- 電商首頁的猜你喜歡商品，不設置超時時間，或者設置互斥鎖
- 快取穿透
- 電商商品詳情中請求不存在的id，首先要設置入口驗證，然後使用布隆過濾器，不存在直接返回
總結
快取雪崩和快取擊穿主要是數據不在快取上，而快取穿透是數據既不在快取上，也不在數據上。
- 快取雪崩
- 給過期時間加上小的隨機數
- 服務降級
- 服務熔斷
- 請求限流
- redis 設置主從集群
- 快取擊穿
- 不設置過期時間
- 快取穿透
- 入口進行合法性驗證
- 使用空值或者預設值
- 使用布隆過濾器快速判斷
預防方案
使用服務降低、請求熔斷、請求限制會影響用戶使用體驗，最好使用預防方案。
- 針對快取雪崩，合理設置數據過期時間，以及搭建redis主從集群。
- 針對快取擊穿，不要設置過期時間。
- 針對快取穿透，在請求入口做規範校驗，以及使用布隆過濾器判斷數據是否存在。
