前言
設計一個緩存系統，不得不要考慮的問題就是：緩存穿透、緩存擊穿與失效時的雪崩效應。
緩存穿透
緩存穿透是指查詢一個一定不存在的資料，由于緩存是不命中時被動寫的，并且出于容錯考慮，如果從存儲層查不到資料則不寫入緩存，這将導緻這個不存在的資料每次請求都要到存儲層去查詢，失去了緩存的意義。在流量大時，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key頻繁攻擊我們的應用，這就是漏洞。
解決方案
有很多種方法可以有效地解決緩存穿透問題，最常見的則是采用布隆過濾器，将所有可能存在的資料哈希到一個足夠大的bitmap中，一個一定不存在的資料會被 這個bitmap攔截掉，進而避免了對底層存儲系統的查詢壓力。另外也有一個更為簡單粗暴的方法（我們采用的就是這種），如果一個查詢傳回的資料為空（不管是數 據不存在，還是系統故障），我們仍然把這個空結果進行緩存，但它的過期時間會很短，最長不超過五分鐘。
緩存雪崩
緩存雪崩是指在我們設定緩存時采用了相同的過期時間，導緻緩存在某一時刻同時失效，請求全部轉發到DB，DB瞬時壓力過重雪崩。
緩存失效時的雪崩效應對底層系統的沖擊非常可怕。大多數系統設計者考慮用加鎖或者隊列的方式保證緩存的單線 程（程序）寫，進而避免失效時大量的并發請求落到底層存儲系統上。這裡分享一個簡單方案就時講緩存失效時間分散開，比如我們可以在原有的失效時間基礎上增加一個随機值，比如1-5分鐘随機，這樣每一個緩存的過期時間的重複率就會降低，就很難引發集體失效的事件。
緩存擊穿
對于一些設定了過期時間的key，如果這些key可能會在某些時間點被超高并發地通路，是一種非常“熱點”的資料。這個時候，需要考慮一個問題：緩存被“擊穿”的問題，這個和緩存雪崩的差別在于這裡針對某一key緩存，前者則是很多key。
緩存在某個時間點過期的時候，恰好在這個時間點對這個Key有大量的并發請求過來，這些請求發現緩存過期一般都會從後端DB加載資料并回設到緩存，這個時候大并發的請求可能會瞬間把後端DB壓垮。
我們的目标是：盡量少的線程建構緩存(甚至是一個) + 資料一緻性 + 較少的潛在危險，下面會介紹四種方法來解決這個問題：
1. 使用互斥鎖(mutex key): 這種解決方案思路比較簡單，就是隻讓一個線程建構緩存，其他線程等待建構緩存的線程執行完，重新從緩存擷取資料就可以了（如下圖）
如果是單機，可以用synchronized或者lock來處理，如果是分布式環境可以用分布式鎖就可以了（分布式鎖，可以用memcache的add, redis的setnx, zookeeper的添加節點操作）。
下面是Tim yang部落格的代碼，是memcache的僞代碼實作
if (memcache.get(key) == null) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
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();
}
}
如果換成redis，就是：
String get(String key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) {
if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(key_mutex, 3 * 60)
value = db.get(key);
redis.set(key, value);
redis.delete(key_mutex);
} else {
//其他線程休息50毫秒後重試
Thread.sleep(50);
get(key);
}
}
}
2. "提前"使用互斥鎖(mutex key)：
在value内部設定1個逾時值(timeout1), timeout1比實際的memcache timeout(timeout2)小。當從cache讀取到timeout1發現它已經過期時候，馬上延長timeout1并重新設定到cache。然後再從資料庫加載資料并設定到cache中。僞代碼如下：
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. "永遠不過期"：
這裡的“永遠不過期”包含兩層意思：
(1) 從redis上看，确實沒有設定過期時間，這就保證了，不會出現熱點key過期問題，也就是“實體”不過期。
(2) 從功能上看，如果不過期，那不就成靜态的了嗎？是以我們把過期時間存在key對應的value裡，如果發現要過期了，通過一個背景的異步線程進行緩存的建構，也就是“邏輯”過期
從實戰看，這種方法對于性能非常友好，唯一不足的就是建構緩存時候，其餘線程(非建構緩存的線程)可能通路的是老資料，但是對于一般的網際網路功能來說這個還是可以忍受。
String get(final String key) {
V v = redis.get(key);
String value = v.getValue();
long timeout = v.getTimeout();
if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
// 異步更新背景異常執行
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. 資源保護：
之前在緩存雪崩那篇文章提到了netflix的hystrix，可以做資源的隔離保護主線程池，如果把這個應用到緩存的建構也未嘗不可。
四種方案對比：
作為一個并發量較大的網際網路應用，我們的目标有3個:
1. 加快使用者通路速度，提高使用者體驗。
2. 降低後端負載，保證系統平穩。
3. 保證資料“盡可能”及時更新(要不要完全一緻，取決于業務，而不是技術。)
是以第二節中提到的四種方法，可以做如下比較，還是那就話：沒有最好，隻有最合适。
| 優點 | 缺點 | |
| 簡單分布式鎖(Tim yang) | 1. 思路簡單 2. 保證一緻性 | 1. 代碼複雜度增大 2. 存在死鎖的風險 3. 存線上程池阻塞的風險 |
| 加另外一個過期時間(Tim yang) | 1. 保證一緻性 | 同上 |
| 不過期(本文) | 1. 異步建構緩存，不會阻塞線程池 | 1. 不保證一緻性。 2. 代碼複雜度增大(每個value都要維護一個timekey)。 3. 占用一定的記憶體空間(每個value都要維護一個timekey)。 |
| 資源隔離元件hystrix(本文) | 1. hystrix技術成熟，有效保證後端。 2. hystrix監控強大。 | 1. 部分通路存在降級政策。 |
總結
1. 熱點key + 過期時間 + 複雜的建構緩存過程 => mutex key問題
2. 建構緩存一個線程做就可以了。
3. 四種解決方案：沒有最佳隻有最合适。