資料庫減負刻不容緩？多級快取設計瞭解一下！

自古兵家多謀，《謀攻篇》，“故上兵伐謀，其次伐交，其次伐兵，其下攻城。攻城之法，為不得已”，可見攻城之計有很多種，而爬牆攻城是最不明智的做法，軍隊疲憊受損、錢糧損耗、百姓遭殃。故而我們有很多迂迴之策，謀略、外交、軍事手段等等，每一種都比攻城的代價小，更輕量級，快取設計亦是如此。

為什麼要設計快取呢？

其實高併發應對的解決方案不是網際網路獨創的，計算機先祖們很早就對類似的場景做了方案。比如《計算機組成原理》這樣提到的cpu快取概念，它是一種快取記憶體，容量比記憶體小但是速度卻快很多，這種快取的出現主要是為了解決cpu運算速度遠大於記憶體讀寫速度，甚至達到千萬倍。

傳統的cpu透過fsb直連記憶體的方式顯然就會因為記憶體訪問的等待，導致cpu吞吐量下降，記憶體成為效能瓶頸。同時又由於記憶體訪問的熱點資料集中性，所以需要在cpu與記憶體之間做一層臨時的儲存器作為快取記憶體。

隨著系統複雜性的提升，這種快取記憶體和記憶體之間的速度進一步拉開，由於技術難度和成本等原因，所以有了更大的二級、三級快取。根據讀取順序，絕大多數的請求首先落在一級快取上，其次二級...

故而應用於SOA甚至微服務的場景，記憶體相當於儲存業務資料的持久化資料庫，其吞吐量肯定是遠遠小於快取的，而對於java程式來講，本地的jvm快取優於集中式的redis快取。

關係型資料庫操作方便、易於維護且訪問資料靈活，但是隨著資料量的增加，其檢索、更新的效率會越來越低。所以在高併發低延遲要求複雜的場景，要給資料庫減負，減少其壓力。

 

給資料庫減負  

快取分散式，做多級快取

 

1、讀請求時寫快取

寫快取時一級一級寫，先寫本地快取，再寫集中式快取。具體些快取的方法可以有很多種，但是需要注意幾項原則：

1. 不要複製貼上，避免重複程式碼

2. 切忌和業務耦合太緊，不利於後期維護

3. 開發初期剛剛上線階段，為了排查問題，常常會給快取設定開關，但是開關設定多了則會同時升高系統的複雜度，需要結合一套統一配置管理系統，京東物流有一套叫做UCC，且聽下回分解......

綜上所述，高耦合帶來的痛，彌補的代價是很大的，所以可以借鑑Spring cache來實現，實現也比較簡單，使用時一個註解就搞定了。

 

2、寫快取失敗了怎麼辦？應該先寫快取還是資料庫呢？

既然是快取的設計，那麼策略一定是保證最終一致性，那麼我們只需要採用非同步訊息來補償就好了。

大部分快取應用的場景是讀寫比差異很大的，讀遠大於寫，在這種場景下，只需要以資料庫為主，先寫資料庫，再寫快取就好了。

最後補充一點，資料庫出現異常時，不要一股腦的catch RuntimeException，而是把具體關心的異常往外拋，然後進行有針對性的異常處理。

 

3、關於其他效能方面

快取設計都是佔用越少越好，記憶體資源昂貴以及太大不好維護都驅使我們這樣設計。所以要儘可能減少快取不必要的資料，有的同學圖省事把整個物件序列化儲存。另外，序列化與反序列化也是消耗效能的。

  vs各種快取同步方案

快取同步方案有很多種，在考慮一致性、資料庫訪問壓力、實時性等方面做權衡。總的來說有以下幾種方式：

1、懶載入式

如上段提到的方式，讀時順便載入。為了更新快取資料，需要過期快取。

                     

優點 ：簡單直接

缺點 ：

• 會造成一次快取不命中

• 這樣當使用者併發很大時，恰好快取中無資料，資料庫承擔瞬時流量過大會造成風險。

懶載入式太簡單了，沒有自動載入，非同步重新整理等機制，為了彌補其缺陷，請參見接下來的兩種方法。

2、補充式

可以在快取時，把過期時間等資訊寫到一個非同步佇列裡，後臺起個執行緒池定期掃描這個佇列，在快過期時主動reload快取，使得資料會一直保持在快取中，如果快取沒有也沒有必要去資料庫查詢了。常見的處理方式有使用binlog加工成訊息供增量處理。

• 優點 ：重新整理快取變為非同步的任務，對資料庫的壓力瞬間由於任務佇列的介入而降低了，削平併發的波峰。

• 缺點 ：訊息一旦積壓會造成同步延遲，引入複雜度。

 

3、定時載入式

這就需要有個非同步執行緒池定期把資料庫的資料刷到集中式快取，如redis裡。

• 優點 ：保證所有資料最小時間差同步到快取中，延遲很低。

• 缺點 ：如補充式，需要一個任務排程框架，複雜度提升，且要保證任務的順序。如果遞進一步還想載入到本地快取，就得本地應用自己起執行緒抓取，方案維護成本高。可以考慮使用mq或者其他非同步任務排程框架。

• ps ：為了防止佇列過大排程出現問題，處理完的資料要儘快結轉，且要對積壓資料以及寫入情況做監控。

 

防止快取穿透

快取穿透 是指查詢的key壓根不存在，從而快取查詢不到而查詢了資料庫。若是這樣的key恰好併發請求很大，那麼就會對資料庫造成不必要的壓力。怎麼解決呢？

1. 把所有存在的key都存到另外一個儲存的Set集合裡，查詢時可以先查詢key是否存在。

2. 乾脆簡單一些，給查詢不到的key也加一個標識空值的Value，這樣就不會去查詢資料庫了，比如場景為查詢省市區街道對應的移動營業廳，若是某街道確實沒有移動營業廳，key規則不變，value可以設定為"0"等無意義的字元。當然此種方案要保證快取叢集的高可用。

3. 這些Key可能不是永遠不存在，所以需要根據業務場景來設定過期時間。

 

熱點快取與快取淘汰策略

有一些場景，需要只保持一部分的熱點快取，不需要全量快取，比如熱賣的商品資訊，購買某類商品的熱門商圈資訊等等。

綜合來講，快取過期的策略有以下三種：

1、FIFO（First In，First Out）

先進先出，淘汰最早進來的快取資料，一個標準的佇列。

以佇列為基本資料結構，從隊首進入新資料，從隊尾淘汰。

 

2、LRU（Least RecentlyUsed）

最近最少使用，淘汰最近不使用的快取資料。如果資料最近被訪問過，則不淘汰。

1. 和FIFO不同的是，需要對連結串列做基本模型，讀寫的時間複雜度是O（1），寫入新資料進入頭部，連結串列滿了資料從尾部淘汰；

2. 最近時間被訪問的資料移動到頭部，實現演算法有很多，如hashmap+雙向連結串列等等；

3. 問題在於若是偶發性某些key被最近頻繁訪問，而非常態，則資料受到汙染。

 

3、LFU（Least Frequently used）

最近使用次數最少的資料被淘汰，注意和LRU的區別在於LRU的淘汰規則是基於訪問時間。

1. LFU中的每個資料塊都有一個引用計數，資料塊按照引用計數排序，若是恰好具有相同引用計數的資料塊則按照時間排序；

2. 因為新加入的資料訪問次數為1，所以插入到佇列尾部；

3. 佇列中的資料被新訪問後，引用計數增加，佇列重新排序；

4. 當需要淘汰資料時，將已經排序的列表最後的資料塊刪除；

5. 有很明顯問題是若短時間內被頻繁訪問多次，比如訪問異常或者迴圈沒有控制住，而後很長時間未使用，則此資料會因為頻率高而被錯誤的保留下來沒有被淘汰。尤其對於新來的資料，由於其起始的次數是1，所以即便被正常使用也會因為比不過老的資料而被淘汰。所以維基百科說純粹的LFU演算法不經常單獨使用而是組合在其他策略中使用。

 

快取 使用的一些常見問題

Q：那麼應該選擇用本地快取（local cache）還是集中式快取（Cache cluster）呢?

A：首先看資料量，看快取更新的成本，如果整體快取資料量不是很大，而且變化的不頻繁，那麼建議本地快取。

 

Q：怎麼批次更新一批快取資料？

A：依次從資料庫讀取，然後批次寫入快取，批次更新，設定版本過期key或者主動刪除。

 

Q：如果不知道有哪些key怎麼定期刪除？

A：拿redis來說keys * 太損耗效能，不推薦。可以指定一個集合，把所有的key都存到這個集合裡，然後對整個集合進行刪除，這樣便能完全清理了。

 

Q：一個key包含的集合很大，redis無法做到記憶體空間上的均勻Shard?

A：1、可以簡單的設定key過期，這樣就要允許有快取不命中的情況；2、給key設定版本，比如為兩天後的當前時間，然後讀取快取時用時間判斷一下是否需要重新載入快取，作為版本過期的策略。

作者 | 王梓晨

 轉自 | 京東技術

京東物流研發部架構師，GIS技術部負責人，2012年加入京東，多年一線團隊大促備戰經驗，負責物流研發一些部門的架構工作，專注於低延遲系統設計與海量資料處理。曾負責青龍配送分單團隊，主導重構架構設計與主要研發工作，短期內提升了服務效能數十倍。還設計研發了地址配送網點分類模型，實現了配送到路區的精準化分單，降本增效，大幅提升了自動分單準確率。目前負責物流GIS部門，先後主導了國標轉京標、物流視覺化等專案。