快取穿透,快取擊穿,快取雪崩解決方案分析

2021-08-28 18:32:04 字數 3102 閱讀 2193

設計乙個快取系統,不得不要考慮的問題就是:快取穿透、快取擊穿與失效時的雪崩效應。

快取穿透是指查詢乙個一定不存在的資料,由於快取是不命中時被動寫的,並且出於容錯考慮,如果從儲存層查不到資料則不寫入快取,這將導致這個不存在的資料每次請求都要到儲存層去查詢,失去了快取的意義。在流量大時,可能db就掛掉了,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。

有很多種方法可以有效地解決快取穿透問題,最常見的則是採用布隆過濾器,將所有可能存在的資料雜湊到乙個足夠大的bitmap中,乙個一定不存在的資料會被 這個bitmap攔截掉,從而避免了對底層儲存系統的查詢壓力。另外也有乙個更為簡單粗暴的方法(我們採用的就是這種),如果乙個查詢返回的資料為空(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快取,但它的過期時間會很短,最長不超過五分鐘。

快取雪崩是指在我們設定快取時採用了相同的過期時間,導致快取在某一時刻同時失效,請求全部**到db,db瞬時壓力過重雪崩。

快取失效時的雪崩效應對底層系統的衝擊非常可怕。大多數系統設計者考慮用加鎖或者佇列的方式保證快取的單線 程(程序)寫,從而避免失效時大量的併發請求落到底層儲存系統上。這裡分享乙個簡單方案就時講快取失效時間分散開,比如我們可以在原有的失效時間基礎上增加乙個隨機值,比如1-5分鐘隨機,這樣每乙個快取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。

對於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併發地訪問,是一種非常「熱點」的資料。這個時候,需要考慮乙個問題:快取被「擊穿」的問題,這個和快取雪崩的區別在於這裡針對某一key快取,前者則是很多key。

快取在某個時間點過期的時候,恰好在這個時間點對這個key有大量的併發請求過來,這些請求發現快取過期一般都會從後端db載入資料並回設到快取,這個時候大併發的請求可能會瞬間把後端db壓垮。

1.使用互斥鎖(mutex key)

業界比較常用的做法,是使用mutex。簡單地來說,就是在快取失效的時候(判斷拿出來的值為空),不是立即去load db,而是先使用快取工具的某些帶成功操作返回值的操作(比如redis的setnx或者memcache的add)去set乙個mutex key,當操作返回成功時,再進行load db的操作並回設快取;否則,就重試整個get快取的方法。

setnx,是「set if not exists」的縮寫,也就是只有不存在的時候才設定,可以利用它來實現鎖的效果。在redis2.6.1之前版本未實現setnx的過期時間,所以這裡給出兩種版本**參考:

前單機版本鎖

string get(string key) else

}

}

最新版本**:

public string get(key) else

} else

}

memcache**:

if (memcache.get(key) == null) else

}

2. "提前"使用互斥鎖(mutex key):

在value內部設定1個超時值(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並重新設定到cache。然後再從資料庫載入資料並設定到cache中。偽**如下:

v = memcache.get(key);

if (v == null) else

} else else

}

}

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,確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「物理」不過期。

(2) 從功能上看,如果不過期,那不就成靜態的了嗎?所以我們把過期時間存在key對應的value裡,如果發現要過期了,通過乙個後台的非同步執行緒進行快取的構建,也就是「邏輯」過期

從實戰看,這種方法對於效能非常友好,唯一不足的就是構建快取時候,其餘執行緒(非構建快取的執行緒)可能訪問的是老資料,但是對於一般的網際網路功能來說這個還是可以忍受。

string get(final string key)

}

});

}

return value;

}

4. 資源保護:

採用netflix的hystrix,可以做資源的隔離保護主線程池,如果把這個應用到快取的構建也未嘗不可。

四種解決方案:沒有最佳只有最合適

解決方案

優點缺點

簡單分布式互斥鎖(mutex key)

1. 思路簡單

2. 保證一致性

1. **複雜度增大

2. 存在死鎖的風險

「提前」使用互斥鎖

1. 保證一致性

同上 不過期(本文)

1. 非同步構建快取,不會阻塞執行緒池

1. 不保證一致性。

2. **複雜度增大(每個value都要維護乙個timekey)。

3. 占用一定的記憶體空間(每個value都要維護乙個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. 部分訪問存在降級策略。

針對業務系統,永遠都是具體情況具體分析,沒有最好,只有最合適。

最後,對於快取系統常見的快取滿了和資料丟失問題,需要根據具體業務分析,通常我們採用lru策略處理溢位,redis的rdb和aof持久化策略來保證一定情況下的資料安全。

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