如何解決快取失效問題

導讀	在如今大資料的時代下，高併發高可用是所有軟體開發都追求的目標，為了實現這一目標，快取的使用是每一個高併發系統都會涉及到的，使用快取可以保障系統的執行效率，提高系統的健壯性。

在高併發的系統架構中，大量網路請求的併發處理，導致資料庫的I/O消耗是非常巨大的，為了快速讀取資料，減少網路請求時延，緩解資料庫的壓力，因此在軟體開發中引入了快取技術。但是在快取的使用過程中也會遇到一些特殊情況導致快取失效，常見的快取失效的情況有三種：快取穿透、快取擊穿、快取雪崩。

快取（以Redis快取為例）的引入可以減少請求資料庫的次數，提高查詢效率，從而提升系統效能。一般的流程是：應用發起請求後，先查詢快取中是否存在所需資料，如果快取中存在，直接返回資料，如果快取中不存在所需資料，則需要去查詢資料庫，如果資料庫中存在所需資料，則一方面存入快取，另一方面返回查詢結果，如果資料庫中不存在，則返回空或者錯誤。

快取穿透(Cache Penetration)是指查詢一個一定不存在的資料，即使用者訪問的資料既不在快取當中，也不在資料庫中。由於快取中查詢不到資料，請求會去查詢資料庫，然而資料庫中也不存在該資料，也不會寫入快取，導致查詢該資料的時候，每次都要去資料庫中查詢，給資料庫到來壓力。

快取雪崩(Cache Avalanche)是指大量的快取資料在某一時刻超過了快取的過期時間，同時失效，導致高併發的請求同時去訪問資料庫，造成資料庫壓力過大，導致系統崩潰。這是針對多個快取資料而言的。

快取擊穿(Cache Breakdown)是指快取過期的一瞬間，有大量的請求去查詢同一個快取資料，由於該資料在承載著大併發，當該資料失效的一瞬間，持續的大併發就會直接去請求資料庫，造成資料庫壓力倍增。這是針對一個快取資料而言的。

• 第一種方案是採用布隆過濾器進行資料攔截。這也是針對快取擊穿採用的常用方案。在寫入資料時，使用布隆過濾器對資料的key進行標記，當帶有資料key的請求過來後，先用布隆過濾器驗證key是否存在，如果存在，再進入快取或者資料庫中進行查詢。
• 第二種方案是快取空值。當在資料庫中查詢不到資料時，將其快取為空值或者預設值。此時需要注意，針對其的快取過期時間不宜過長，一般設定為5分鐘內，當資料庫被寫入或者更新該key的新資料時，快取必須同時更新，保證資料的一致性。
針對快取雪崩的解決方案
• 一般是將key的過期時間後面增加一個隨機數，讓過期時間分散開，使key均勻失效，減少快取時間過期的重複率。
• 利用加鎖或佇列的方式，保證快取單執行緒寫，但是這種方案會影響併發量，多個請求過來時，只有一個在進行正常的操作，其他請求都會在等待的狀態，影響程式效能，不推薦使用。
• 使用快取標記，這是比較好的解決辦法。判斷標記是否過期，過期則去資料庫中請求，而快取資料的過期時間要設定的比快取標記長些，如此一來，當一個請求去運算元據庫的時候，其他的請求拿到的是上一次的快取資料。
針對快取擊穿的解決方案
• 使用互斥鎖，當快取的key過期時，多個請求過來時只允許一個請求去查詢資料庫構建快取，其他請求等待該請求執行完畢之後，重新從快取中獲取資料。
• 針對訪問量比較大的資料，即熱點資料，不設定快取過期時間，後臺非同步更新快取，適用於不嚴格要求快取一致性的場景。

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