什麼是快取？
快取，就是資料交換的緩衝區，針對服務物件的不同（本質就是不同的硬體）都可以構建快取。
目的是，把讀寫速度慢的介質的資料儲存在讀寫速度快的介質中，從而提高讀寫速度，減少時間消耗。 例如：
- CPU 快取記憶體 ：快取記憶體的讀寫速度遠高於記憶體。
- CPU 讀資料時，如果在快取記憶體中找到所需資料，就不需要讀記憶體
- CPU 寫資料時，先寫到快取記憶體，再回寫到記憶體。
- 磁碟快取：磁碟快取其實就把常用的磁碟資料儲存在記憶體中，記憶體讀寫速度也是遠高於磁碟的。
- 讀資料時，從記憶體讀取。
- 寫資料時，可先寫到記憶體，定時或定量回寫到磁碟，或者是同步回寫。
為什麼要用快取？
使用快取的目的，就是提升讀寫效能。而實際業務場景下，更多的是為了提升讀效能，帶來更好的效能，更高的併發量。
日常業務中，我們使用比較多的資料庫是 MySQL，快取是 Redis 。Redis 比 MySQL 的讀寫效能好很多。那麼，我們將 MySQL 的熱點資料，快取到 Redis 中，提升讀取效能，也減小 MySQL 的讀取壓力。例如說：
- 論壇帖子的訪問頻率比較高，且要實時更新閱讀量，使用 Redis 記錄帖子的閱讀量，可以提升效能和併發。
- 商品資訊，資料更新的頻率不高，但是讀取的頻率很高，特別是熱門商品。
分散式快取系統面臨的問題
快取與資料庫雙寫不一致
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，串到一個記憶體佇列裡去。
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的一個請求。
最經典的就是快取+資料庫讀寫的模式(Cache Aside Pattern)。
- 讀的時候，先讀快取，快取沒有的話，再讀資料庫，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。
快取穿透和快取雪崩
快取穿透
概念：
訪問一個不存在的 key，快取不起作用，請求會穿透到 DB，流量大時 DB 會掛掉。
舉個栗子。系統A，每秒 5000 個請求，結果其中 4000 個請求是黑客發出的惡意攻擊。資料庫 id 是從 1 開始的，而黑客發過來的請求 id 全部都是負數。這樣的話，快取中不會有，請求每次都“視快取於無物”，直接查詢資料庫。這種惡意攻擊場景的快取穿透就會直接把資料庫給打死。
解決方案：
（1）對查詢結果為空的情況也進行快取，快取時間設定短一點，或者該 key 對應的資料 insert 之後再清理快取。
（2）對一定不存在的 key 進行過濾。可以把所有的可能存在的key放到一個大的Bitmap中，查詢時通過該Bitmap過濾。
快取雪崩
概念：
對於系統 A，假設每天高峰期每秒 5000 個請求，本來快取在高峰期可以扛住每秒 4000 個請求，但是快取機器意外發生了全盤當機。快取掛了，此時 1 秒 5000 個請求全部落資料庫，資料庫必然扛不住，它會報一下警，然後就掛了。此時，如果沒有采用什麼特別的方案來處理這個故障，DBA 很著急，重啟資料庫，但是資料庫立馬又被新的流量給打死了。
解決方案：
（1）在快取失效後，通過加鎖或者佇列來控制讀資料庫寫快取的執行緒數量。比如對某個 key 只允許一個執行緒查詢資料和寫快取，其他執行緒等待。
（2）不同的 key，設定不同的過期時間，讓快取失效的時間點儘量均勻。
（3）做二級快取，A1 為原始快取，A2為拷貝快取，A1 失效時，可以訪問 A2，A1 快取失效時間設定為短期，A2 設定為長期（此點為補充）
快取擊穿
概念：
某個 key 非常熱點，訪問非常頻繁，處於集中式高併發訪問的情況，當這個 key 在失效的瞬間，大量的請求就擊穿了快取，直接請求資料庫，就像是在一道屏障上鑿開了一個洞。
解決方案：
（1）使用互斥鎖 (mutex key)：感知到快取失效，去查詢 DB 時，使用分散式鎖，使得只有一個執行緒去資料庫載入資料，加鎖失敗的執行緒，等待即可。
- 獲取分散式鎖，直到成功或超時。如果超時，則丟擲異常，返回。如果成功，繼續向下執行。
- 再去快取中。如果存在值，則直接返回；如果不存在，則繼續往下執行。因為，獲得到鎖，可能已經被“那個”執行緒去查詢過 DB ，並更新到快取中了。
- 查詢 DB ，並更新到快取中，返回值。
（2）手動過期：redis 上從不設定過期時間，功能上將過期時間存在 key 對應的 value 裡，如果發現要過期，通過一個後臺的非同步執行緒進行快取的構建，也就是“手動”過期。
快取併發競爭
某個時刻，多個系統例項都去更新某個 key。可以基於 zookeeper 實現分散式鎖。每個系統通過 zookeeper 獲取分散式鎖，確保同一時間，只能有一個系統例項在操作某個 key，別人都不允許讀和寫。
要寫入快取的資料都是從 mysql 裡查出來的，都得寫入 mysql 中，寫入 mysql 中的時候必須儲存一個時間戳，從 mysql 查出來的時候，時間戳也要查出來。
每次要寫之前，先判斷一下當前這個 value 的時間戳是否比快取裡的 value 的時間戳要新。如果是的話，那麼可以寫，否則，就不能用舊的資料覆蓋新的資料。
參考文章：