如何保證快取與資料庫的雙寫一致性?

2021-09-23 18:19:23 字數 3846 閱讀 4716

只要用快取,就可能會涉及到快取與資料庫雙儲存雙寫,你只要是雙寫,就一定會有資料一致性的問題,那麼你如何解決一致性問題?

一般來說,如果允許快取可以稍微的跟資料庫偶爾有不一致的情況,也就是說如果你的系統不是嚴格要求 「快取+資料庫」 必須保持一致性的話,最好不要做這個方案,即:讀請求和寫請求序列化,串到乙個記憶體佇列裡去。

序列化可以保證一定不會出現不一致的情況,但是它也會導致系統的吞吐量大幅度降低,用比正常情況下多幾倍的機器去支撐線上請求。

cache aside pattern

最經典的快取+資料庫讀寫的模式,就是 cache aside pattern。

讀的時候,先讀快取,快取沒有的話,就讀資料庫,然後取出資料後放入快取,同時返回響應。

更新的時候,先更新資料庫,然後再刪除快取。

為什麼是刪除快取,而不是更新快取?

原因很簡單,很多時候,在複雜點的快取場景,快取不單單是資料庫中直接取出來的值。

比如可能更新了某個表的乙個字段,然後其對應的快取,是需要查詢另外兩個表的資料並進行運算,才能計算出快取最新的值的。

另外更新快取的代價有時候是很高的。是不是說,每次修改資料庫的時候,都一定要將其對應的快取更新乙份?也許有的場景是這樣,但是對於比較複雜的快取資料計算的場景,就不是這樣了。如果你頻繁修改乙個快取涉及的多個表,快取也頻繁更新。但是問題在於,這個快取到底會不會被頻繁訪問到?

舉個栗子,乙個快取涉及的表的字段,在 1 分鐘內就修改了 20 次,或者是 100 次,那麼快取更新 20 次、100 次;但是這個快取在 1 分鐘內只被讀取了 1 次,有大量的冷資料。實際上,如果你只是刪除快取的話,那麼在 1 分鐘內,這個快取不過就重新計算一次而已,開銷大幅度降低,用到快取才去算快取。

其實刪除快取,而不是更新快取,就是乙個 lazy 計算的思想,不要每次都重新做複雜的計算,不管它會不會用到,而是讓它到需要被使用的時候再重新計算。像 mybatis,hibernate,都有懶載入思想。查詢乙個部門,部門帶了乙個員工的 list,沒有必要說每次查詢部門,都裡面的 1000 個員工的資料也同時查出來啊。80% 的情況,查這個部門,就只是要訪問這個部門的資訊就可以了。先查部門,同時要訪問裡面的員工,那麼這個時候只有在你要訪問裡面的員工的時候,才會去資料庫裡面查詢 1000 個員工。

最初級的快取不一致問題及解決方案

問題:先修改資料庫,再刪除快取。如果刪除快取失敗了,那麼會導致資料庫中是新資料,快取中是舊資料,資料就出現了不一致。

解決思路:先刪除快取,再修改資料庫。如果資料庫修改失敗了,那麼資料庫中是舊資料,快取中是空的,那麼資料不會不一致。因為讀的時候快取沒有,則讀資料庫中舊資料,然後更新到快取中。

比較複雜的資料不一致問題分析

資料發生了變更,先刪除了快取,然後要去修改資料庫,此時還沒修改。乙個請求過來,去讀快取,發現快取空了,去查詢資料庫,查到了修改前的舊資料,放到了快取中。隨後資料變更的程式完成了資料庫的修改。

完了,資料庫和快取中的資料不一樣了。。。

為什麼上億流量高併發場景下,快取會出現這個問題?

只有在對乙個資料在併發的進行讀寫的時候,才可能會出現這種問題。其實如果說你的併發量很低的話,特別是讀併發很低,每天訪問量就 1 萬次,那麼很少的情況下,會出現剛才描述的那種不一致的場景。但是問題是,如果每天的是上億的流量,每秒併發讀是幾萬,每秒只要有資料更新的請求,就可能會出現上述的資料庫+快取不一致的情況。

解決方案如下:

更新資料的時候,根據資料的唯一標識,將操作路由之後,傳送到乙個 jvm 內部佇列中。讀取資料的時候,如果發現資料不在快取中,那麼將重新讀取資料+更新快取的操作,根據唯一標識路由之後,也傳送同乙個 jvm 內部佇列中。

乙個佇列對應乙個工作執行緒,每個工作執行緒序列拿到對應的操作,然後一條一條的執行。這樣的話,乙個資料變更的操作,先刪除快取,然後再去更新資料庫,但是還沒完成更新。此時如果乙個讀請求過來,讀到了空的快取,那麼可以先將快取更新的請求傳送到佇列中,此時會在佇列中積壓,然後同步等待快取更新完成。

這裡有乙個優化點,乙個佇列中,其實多個更新快取請求串在一起是沒意義的,因此可以做過濾,如果發現佇列中已經有乙個更新快取的請求了,那麼就不用再放個更新請求操作進去了,直接等待前面的更新操作請求完成即可。

如果請求還在等待時間範圍內,不斷輪詢發現可以取到值了,那麼就直接返回;如果請求等待的時間超過一定時長,那麼這一次直接從資料庫中讀取當前的舊值。

高併發的場景下,該解決方案要注意的問題:

1、讀請求長時阻塞

由於讀請求進行了非常輕度的非同步化,所以一定要注意讀超時的問題,每個讀請求必須在超時時間範圍內返回。

該解決方案,最大的風險點在於說,可能資料更新很頻繁,導致佇列中積壓了大量更新操作在裡面,然後讀請求會發生大量的超時,最後導致大量的請求直接走資料庫。務必通過一些模擬真實的測試,看看更新資料的頻率是怎樣的。

另外一點,因為乙個佇列中,可能會積壓針對多個資料項的更新操作,因此需要根據自己的業務情況進行測試,可能需要部署多個服務,每個服務分攤一些資料的更新操作。如果乙個記憶體佇列裡居然會擠壓 100 個商品的庫存修改操作,每隔庫存修改操作要耗費 10ms 去完成,那麼最後乙個商品的讀請求,可能等待 10 * 100 = 1000ms = 1s 後,才能得到資料,這個時候就導致讀請求的長時阻塞。

一定要做根據實際業務系統的運**況,去進行一些壓力測試,和模擬線上環境,去看看最繁忙的時候,記憶體佇列可能會擠壓多少更新操作,可能會導致最後乙個更新操作對應的讀請求,會 hang 多少時間,如果讀請求在 200ms 返回,如果你計算過後,哪怕是最繁忙的時候,積壓 10 個更新操作,最多等待 200ms,那還可以的。

如果乙個記憶體佇列中可能積壓的更新操作特別多,那麼你就要加機器,讓每個機器上部署的服務例項處理更少的資料,那麼每個記憶體佇列中積壓的更新操作就會越少。

其實根據之前的專案經驗,一般來說,資料的寫頻率是很低的,因此實際上正常來說,在佇列中積壓的更新操作應該是很少的。像這種針對讀高併發、讀快取架構的專案,一般來說寫請求是非常少的,每秒的 qps 能到幾百就不錯了。

實際粗略測算一下

如果一秒有 500 的寫操作,如果分成 5 個時間片,每 200ms 就 100 個寫操作,放到 20 個記憶體佇列中,每個記憶體佇列,可能就積壓 5 個寫操作。每個寫操作效能測試後,一般是在 20ms 左右就完成,那麼針對每個記憶體佇列的資料的讀請求,也就最多 hang 一會兒,200ms 以內肯定能返回了。

經過剛才簡單的測算,我們知道,單機支撐的寫 qps 在幾百是沒問題的,如果寫 qps 擴大了 10 倍,那麼就擴容機器,擴容 10 倍的機器,每個機器 20 個佇列。

2、讀請求併發量過高

這裡還必須做好壓力測試,確保恰巧碰上上述情況的時候,還有乙個風險,就是突然間大量讀請求會在幾十毫秒的延時 hang 在服務上,看服務能不能扛的住,需要多少機器才能扛住最大的極限情況的峰值。

但是因為並不是所有的資料都在同一時間更新,快取也不會同一時間失效,所以每次可能也就是少數資料的快取失效了,然後那些資料對應的讀請求過來,併發量應該也不會特別大。

3、多服務例項部署的請求路由

可能這個服務部署了多個例項,那麼必須保證說,執行資料更新操作,以及執行快取更新操作的請求,都通過 nginx 伺服器路由到相同的服務例項上。

比如說,對同乙個商品的讀寫請求,全部路由到同一臺機器上。可以自己去做服務間的按照某個請求引數的 hash 路由,也可以用 nginx 的 hash 路由功能等等。

4、熱點商品的路由問題,導致請求的傾斜

萬一某個商品的讀寫請求特別高,全部打到相同的機器的相同的佇列裡面去了,可能會造成某台機器的壓力過大。就是說,因為只有在商品資料更新的時候才會清空快取,然後才會導致讀寫併發,所以其實要根據業務系統去看,如果更新頻率不是太高的話,這個問題的影響並不是特別大,但是的確可能某些機器的負載會高一些。

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