Redis 面試常見問題———快取雪崩、快取擊穿以及快取穿透

在開發中會面臨快取異常可能會出現三個問題，分別是快取雪崩、快取擊穿和快取穿透。這三個問題會導致大量請求從快取轉移到資料庫，如果請求的併發量很大的話，就會導致資料庫崩潰。所以在面試官也會經常問這些問題。

快取雪崩

快取雪崩是指大量的請求無法在快取中處理，從而將請求轉移到資料庫中，導致資料壓力倍增。一個Redis例項可以支援萬級別的併發請求，而單個資料庫只能支援千級別的併發請求。兩者處理請求併發能力相差十倍，資料庫會由於壓力過大而導致雪崩。
這裡雪崩一般是由兩個原因組成，很多文章只寫快取同時過期的情況。

原因一：快取中大量的資料同時過期

一般設定快取資料會設定快取時間，在某一時刻，大量的快取同時過期，此時如果有請求訪問這些資料的話，快取不存在，會將請求轉移到資料庫，如果這些的請求量比較大的，導致資料庫的壓力增大，嚴重會導致資料庫崩潰。

針對大量快取同時失效帶來的雪崩，有兩種解決方案。

方案一： 過期時間設定隨機值

應該避免給資料設定相同的過期時間，在設定過期時間時，增加一點隨機值。

setRedis(key, value, time + Math.random() * 10000);

方案二: 服務降級

服務降低，比如使用hystrix，是指發生雪崩時，針對不同的資料採取不同的處理方式。

• 請求資料是非核心資料（比如商品屬性），暫時停止從快取查詢資料，直接返回預定資訊、空值或者錯誤值。
• 請求資料是核心資料（比如商品庫存、價格），仍然查詢快取，如果快取缺失，繼續在資料庫讀取。
  

原因二： redis 服務掛了

redis服務發生當機，無法處理請求，這就會導致全部轉移到資料庫去，發生雪崩。

方案一： 新增服務熔斷

服務熔斷，就是發生雪崩時，暫停對快取的訪問。等redis服務恢復正常後，再允許訪問快取。
對redis所在的伺服器進行指標監控，比如QPS、CPU使用率、記憶體使用率等，如果發現redis服務當機，而資料庫請求壓力倍增，此時可以啟動熔斷機制，暫停對快取和資料庫的訪問，比如使用Hystrix服務熔斷。
但是暫停對快取系統的訪問，但是對整個業務系統影響很大，導致很多資料不能檢視。為了減少這種影響還有另一個方案：請求限流。

方案二： 請求限流

請求限流，就是限制前端請求每秒請求量，使得資料庫能承受前端全部請求。
比如前端允許每秒訪問1000次，其中900請求快取，100次才請求資料庫。
一旦發生雪崩，資料庫每秒請求激增到1000次，此時啟動請求限流，在前端入口只允許每秒請求100次，過多的請求直接拒絕。

無論使用服務熔斷或請求限流都是是發生雪崩後處理，這裡還有事先預防的方案。
通過主從節點的方式構建redis叢集，如果redis主節點當機，從節點可以切換成主節點。

快取擊穿

快取擊穿是指，針對某個訪問快取非常頻繁，無法在快取中處理，訪問該資料的請求一下子都請求資料庫，導致資料庫壓力倍增。

方案一：不設定過期時間

對於訪問特別頻繁的熱點資料，就不設定過期時間

方案二：使用互斥鎖

如果快取失效，只有拿到鎖才能訪問資料庫，降低資料庫併發訪問。

快取雪崩和快取擊穿的差別在於雪崩是大量的快取，擊穿是單一的快取。

快取穿透

快取穿透是指訪問的資料既不在redis快取中，也不在資料庫中，因為資料庫也不存在資料，也無法將資料庫資料寫入快取中，每次請求都要請求快取和伺服器。不過這樣也導致系統效能下降。
快取穿透會發生如下兩種情況：

• 誤操作，刪除了快取和資料的資料。
• 惡意攻擊： 專門訪問資料庫中不存在的資料。

方案一： 快取空值或預設值

發生快取穿透，在redis中快取一個空值或者實現預選設定好的值（比如0），後續請求查詢直接在redis中讀取空值或者預設值。

方案二： 使用布隆過濾器

• 布隆過濾器由一個初值都為0的bit陣列和N個雜湊函式組成，可以用來快速判斷某個資料是否存在。當資料寫入資料庫時，布隆過濾器會通過三個操作完成標記：
  • 使用N個hash函式，分別計算這個資料的hash值，得到N個hash值。
  • 把這N個hash值對bit陣列的長度取模，得到每個hash值在陣列中對位置。
  • 把對應位置設定為1。如果資料不存在，那麼就沒用使用布隆過濾器標記過資料，那麼，bit陣列對應的bit位為零。只要bit陣列有一個不為1，就表明布隆過濾器就沒標記過該資料。
  • 把資料寫入資料庫時，使用布隆過濾器做標記
  • 當快取消失後，在去資料庫查詢之前，通過查詢布隆過濾器判斷資料是否存在，如果不存在，就不查詢資料庫。
    還有在請求入庫新增檢測，把惡意請求（引數不合理、引數非法、引數不存在或者id小於0）直接過濾掉。

電商系統舉例

• 快取雪崩
  * 電商首頁資料（電腦端、手機端），比如分類。設定這一類的快取需要給過期時間新增隨機數
  
• 快取擊穿
  • 電商首頁的猜你喜歡商品，不設定超時時間，或者設定互斥鎖
    
• 快取穿透
  • 電商商品詳情中請求不存在的id，首先要設定入口驗證，然後使用布隆過濾器，不存在直接返回

總結

快取雪崩和快取擊穿主要是資料不在快取上，而快取穿透是資料既不在快取上，也不在資料上。

• 快取雪崩
  • 給過期時間加上小的隨機數
  • 服務降級
  • 服務熔斷
  • 請求限流
  • redis 設定主從叢集
• 快取擊穿
  • 不設定過期時間
• 快取穿透
  • 入口進行合法性驗證
  • 使用空值或者預設值
  • 使用布隆過濾器快速判斷

預防方案

使用服務降低、請求熔斷、請求限制會影響使用者使用體驗，最好使用預防方案。

• 針對快取雪崩，合理設定資料過期時間，以及搭建redis主從叢集。
• 針對快取擊穿，不要設定過期時間。
• 針對快取穿透，在請求入口做規範校驗，以及使用布隆過濾器判斷資料是否存在。

參考

• 如何解決快取雪崩、擊穿、穿透難題