基于 Redis 讲解，学懂缓存雪崩，缓存击穿，缓存穿透
在了解缓存雪崩、击穿、穿透这三个问题前，我们需要知道为什么我们需要缓存。在了解这三个问题后，我们也必须知道使用 Redis 时，如何解决这些问题。
所以我将按照"为什么我们需要缓存"、"什么是缓存雪崩、击穿、穿透"、"如何解决这些问题"三部分，带你学懂缓存雪崩、击穿、穿透。
为什么我们需要缓存
用户的数据一般都是存储于数据库，数据库的数据是落在磁盘上的，磁盘的读写速度可以说是计算机里最慢的硬件了。当用户的请求都访问数据库的话，可想而知，我们整个系统的并发量肯定是比较低的，而且如果一旦并发量上来了，数据库也很容易崩溃。
那我们可以怎么样来解决这个问题呢？
我们可以多用几台机器，进行负载均衡，提高系统的并发量。
也可以加一个中间层(缓存)，避免用户直接访问数据库。
......
很显然，使用缓存是比较简单且经济的方案。其实，在现在的服务端开发中，缓存中间件已经是我们所离不开的了。其中 Redis 就是比较著名的 key-value 内存数据库。故本文章基于 Redis 编写。
什么是缓存雪崩、击穿、穿透
缓存雪崩
通常我们为了保证缓存中的数据与数据库中的数据一致性，会给 Redis 里的数据设置过期时间，当缓存数据过期后，用户访问的数据如果不在缓存里，业务系统需要重新生成缓存，因此就会访问数据库，并将数据更新到 Redis 里，这样后续请求都可以直接命中缓存。
这样的流程乍一看很正确，没有任何问题。实际上隐藏着一些问题，这样做将可能导致有大量的 key 在同一时间失效，如果此时有大量的用户请求，那就会去访问数据库，从而导致数据库的压力骤增，如果数据库顶不住当前的压力，则会导致宕机，进而引起一系列问题，最后导致系统崩溃，这就是缓存雪崩。
引发缓存雪崩有以下几种可能：
大量 key 同时失效
充当缓存的 Redis 宕机了
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。如果热点 key 在某个时间过期了，此时大量请求会打到数据库上，数据库很容易被击穿，这就是缓存击穿。
实际上缓存击穿与缓存穿透都是 key 失效的问题，你也可以认为缓存击穿是缓存穿透的子集。
缓存穿透
缓存雪崩和击穿都是 key 失效或者 Redis 不可用的场景，缓存穿透与它们不同。缓存穿透是当用户访问的数据，既不在缓存中，也不在数据库中，导致请求在访问缓存时，发现缓存缺失，再去访问数据库时，发现数据库中也没有要访问的数据，没办法构建缓存数据，来服务后续的请求。那么当有大量这样的请求到来时，数据库的压力骤增。
发生的原因有：
业务操作错误，缓存的数据或数据库的数据被删除，或者意外被用户访问到不存在的数据
黑客恶意攻击
如何应对
缓存雪崩应对
缓存雪崩有两种诱因，不同诱因应对的策略是不同的。
针对大量数据同时过期：
均匀设置过期时间
互斥锁
后台更新缓存
......
1. 均匀设置过期时间
目的是要避免大量数据设置成同时过期。给这些设置了过期时间的 key 加上一个随机数，让他们尽量不同时过期。尤其是在缓存预热的时候，更需要这样做。
2. 互斥锁
当业务线程在处理用户请求时，如果发现访问的数据不在 Redis 里，就加一个互斥锁(setnx 命令可以达到这个效果)，保证同一个时间内只有一个请求来构建缓存(从数据库中读，再更新到 Redis)，构建完后释放锁，未能获取到锁的请求，要么等锁释放后重新读取缓存，要么返回空或默认值。
第一个为 key，我们使用 key 来当锁，因为 key 是唯一的。
第二个为 value，我们传的是 requestId，很多童鞋可能不明白，有 key 作为锁不就够了吗，为什么还要用到 value？分布式锁有一个条件，谁上的锁就必须谁解开，通过给 value 赋值为 requestId，我们就知道这把锁是哪个请求加的了，在解锁的时候就可以有依据。requestId 可以使用多种方法生成，只要能保证在一段时间内不重复。
第三个为 nxxx，这个参数我们填的是 NX，意思是 SET IF NOT EXIST，即当 key 不存在时，我们进行 set 操作；若 key 已经存在，则不做任何操作；
第四个为 expx，这个参数我们传的是 PX，意思是我们要给这个 key 加一个过期的设置，具体时间由第五个参数决定。
第五个为 time，与第四个参数相呼应，代表 key 的过期时间。
总的来说，执行上面的 set()方法就只会导致两种结果：
当前没有锁（key 不存在），那么就进行加锁操作，并对锁设置个有效期，同时 value 表示加锁的客户端。
已有锁存在，不做任何操作。
不过这种方法就要注意一下死锁问题，然后我代码这样写的原因是，只有一个操作，是原子性的，如果把加锁和设置过期时间分开，可能会发生一些意想不到的问题。
3. 后台更新缓存
业务线程不再负责更新缓存，缓存也不设置有效期，而是让缓存“永久有效”，并将更新缓存的工作交由后台线程定时更新。虽然不设置有效期，但是其实有一个逻辑过期的标识，一旦业务线程发现这个缓存过期，就把它交给后台线程去处理。业务线程返回”过期值“。
这种方法适合用于对于缓存一致性要求不会特别严格的场景
针对 Redis 宕机：
服务熔断或进行请求限流
构建 Redis 主从或集群来保证可靠
1. 服务熔断或进行请求限流
暂停业务，直接返回错误。等 Redis 恢复正常后，再允许业务进行。目的是保护数据库。
也可以启用限流，只允许少部分请求访问数据库，大于能承受的压力的请求直接拒绝服务。等到 Redis 正常且预热完毕，再解除限流。
2. 构建 Redis 主从和哨兵或集群
主从能够分担主节点压力，有了哨兵的话，能够在 Redis 主节点故障时，即使切换主节点，避免 Redis 故障导致的缓存雪崩问题。
Redis 集群(cluster)也是同理。
缓存击穿应对
上面提到缓存击穿是缓存雪崩的子集(数据过期导致的)，所以缓存击穿的解决方法与因为数据过期导致的雪崩基本一致，可以采用：
互斥锁方案(与上面讲的相同)
后台更新缓存方案(与上面讲的相同)
缓存穿透应对
应对缓存穿透的方案，常见的方案有三种：
非法请求的限制
缓存空值或者默认值
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
1. 非法请求的限制
当不用访问数据库就能知道请求的数据是否合法时，这个方式很合适。可以直接在 API 的入口处做判断，避免非法请求访问缓存和数据库
2.缓存空值
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。
要注意缓存的空值必须设置合适的过期时间，太短则会导致缓存没有阻挡住大多数的非法请求，太长则会导致浪费内存空间。
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。
可能有部分童鞋不了解布隆过滤器，我简单的描述一下。
布隆过滤器由「初始值都为 0 的位图数组」和「 N 个哈希函数」两部分组成。当我们在写入数据库数据时，在布隆过滤器里做个标记(对 N 个哈希函数逐一进行使用，得到的结果对数组长度取余得到最后结果，并且把最后结果对应的下标值为 1)。
下次查询数据在不在数据库时，可以用相同的方法，如果得到 N 个位置的值都为 1，则这个请求大概率是合法的(即使会有部分非法请求还是会访问到数据库，但是布隆过滤器已经过滤了绝大多数了)
总结
在网上找到的这张表格对上述内容进行了不错的总结。
作者：StackOverFlow
链接：https://juejin.cn/post/7237123113325281335
来源：稀土掘金
还未添加个人签名 2021-07-28 加入
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