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Redis缓存穿透、缓存雪崩、Redis并发问题分析

2020-03-06 16:52 1246 查看

把redis作为缓存使用已经是司空见惯，但是使用redis后也可能会碰到一系列的问题，尤其是数据量很大的时候，经典的几个问题如下：

互联网面试题更新了！随便呈上几道，看看大家能否答出来：
（0）redis为什么是key，value的，为什么不是支持SQL的？
（1）redis是多线程还是单线程？（回答单线程的请回吧）
（2）redis的持久化开启了RDB和AOF下重启服务是如何加载的？(10个人9个回答错误)
（3）redis如果做集群该如何规划？AKF/CAP如何实现和设计？
（4）10万用户一年365天的登录情况如何用redis存储，并快速检索任意时间窗内的活跃用户？
（5）redis的5种Value类型你用过几种，能举例吗？
（6）100万并发4G数据，10万并发400G数据，如何设计Redis存储方式？

(一)缓存和数据库间数据一致性问题

分布式环境下（单机就不用说了）非常容易出现缓存和数据库间的数据一致性问题，针对这一点的话，只能说，如果你的项目对缓存的要求是强一致性的，那么请不要使用缓存。我们只能采取合适的策略来降低缓存和数据库间数据不一致的概率，而无法保证两者间的强一致性。合适的策略包括合适的缓存更新策略，更新数据库后要及时更新缓存、缓存失败时增加重试机制，例如MQ模式的消息队列。

(二)缓存击穿问题

缓存击穿表示恶意用户模拟请求很多缓存中不存在的数据，由于缓存中都没有，导致这些请求短时间内直接落在了数据库上，导致数据库异常。这个我们在实际项目就遇到了，有些抢购活动、秒杀活动的接口API被大量的恶意用户刷，导致短时间内数据库宕机了，好在数据库是多主多从的，hold住了。

解决方案的话：

1、使用互斥锁排队

业界比价普遍的一种做法，即根据key获取value值为空时，锁上，从数据库中load数据后再释放锁。若其它线程获取锁失败，则等待一段时间后重试。这里要注意，分布式环境中要使用分布式锁，单机的话用普通的锁（synchronized、Lock）就够了。

[code]public String getWithLock(String key, Jedis jedis, String lockKey, String uniqueId, long expireTime) { // 通过key获取value String value = redisService.get(key); if (StringUtil.isEmpty(value)) { // 分布式锁，详细可以参考https://blog.csdn.net/fanrenxiang/article/details/79803037 //封装的tryDistributedLock包括setnx和expire两个功能，在低版本的redis中不支持 try { boolean locked = redisService.tryDistributedLock(jedis, lockKey, uniqueId, expireTime); if (locked) { value = userService.getById(key); redisService.set(key, value); redisService.del(lockKey); return value; } else { // 其它线程进来了没获取到锁便等待50ms后重试 Thread.sleep(50); getWithLock(key, jedis, lockKey, uniqueId, expireTime); } } catch (Exception e) { log.error("getWithLock exception=" + e); return value; } finally { redisService.releaseDistributedLock(jedis, lockKey, uniqueId); } } return value;}

这样做思路比较清晰，也从一定程度上减轻数据库压力，但是锁机制使得逻辑的复杂度增加，吞吐量也降低了，有点治标不治本。

2、布隆过滤器（推荐）

bloomfilter就类似于一个hash set，用于快速判某个元素是否存在于集合中，其典型的应用场景就是快速判断一个key是否存在于某容器，不存在就直接返回。布隆过滤器的关键就在于hash算法和容器大小，下面先来简单的实现下看看效果，我这里用guava实现的布隆过滤器：

[code]<dependencies>  <dependency>  <groupId>com.google.guava</groupId>  <artifactId>guava</artifactId>  <version>23.0</version>  </dependency> </dependencies> public class BloomFilterTest {  private static final int capacity = 1000000; private static final int key = 999998;  private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), capacity);  static { for (int i = 0; i < capacity; i++) { bloomFilter.put(i); } }  public static void main(String[] args) { /*返回计算机最精确的时间，单位微妙*/ long start = System.nanoTime();  if (bloomFilter.mightContain(key)) { System.out.println("成功过滤到" + key); } long end = System.nanoTime(); System.out.println("布隆过滤器消耗时间:" + (end - start)); int sum = 0; for (int i = capacity + 20000; i < capacity + 30000; i++) { if (bloomFilter.mightContain(i)) { sum = sum + 1; } } System.out.println("错判率为:" + sum); }}成功过滤到999998布隆过滤器消耗时间:215518错判率为:318

可以看到，100w个数据中只消耗了约0.2毫秒就匹配到了key，速度足够快。然后模拟了1w个不存在于布隆过滤器中的key，匹配错误率为318/10000，也就是说，出错率大概为3%，跟踪下BloomFilter的源码发现默认的容错率就是0.03：

[code]public static <T> BloomFilter<T> create(Funnel<T> funnel, int expectedInsertions /* n */) { return create(funnel, expectedInsertions, 0.03); // FYI, for 3%, we always get 5 hash functions}

我们可调用BloomFilter的这个方法显式的指定误判率：

[code]private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), capacity,0.01);

我们断点跟踪下，误判率为0.02和默认的0.03时候的区别:

对比两个出错率可以发现，误判率为0.02时数组大小为8142363，0.03时为7298440，误判率降低了0.01，BloomFilter维护的数组大小也减少了843923，可见BloomFilter默认的误判率0.03是设计者权衡系统性能后得出的值。要注意的是，布隆过滤器不支持删除操作。用在这边解决缓存穿透问题就是：

[code]public String getByKey(String key) { // 通过key获取value String value = redisService.get(key); if (StringUtil.isEmpty(value)) { if (bloomFilter.mightContain(key)) { value = userService.getById(key); redisService.set(key, value); return value; } else { return null; } } return value;}

(三)缓存雪崩问题

缓存在同一时间内大量键过期（失效），接着来的一大波请求瞬间都落在了数据库中导致连接异常。

解决方案：

1、也是像解决缓存穿透一样加锁排队，实现同上;

2、建立备份缓存，缓存A和缓存B，A设置超时时间，B不设值超时时间，先从A读缓存，A没有读B，并且更新A缓存和B缓存;

[code]public String getByKey(String keyA,String keyB) { String value = redisService.get(keyA); if (StringUtil.isEmpty(value)) { value = redisService.get(keyB); String newValue = getFromDbById(); redisService.set(keyA,newValue,31, TimeUnit.DAYS); redisService.set(keyB,newValue); } return value;}

(四)缓存并发问题

这里的并发指的是多个redis的client同时set key引起的并发问题。比较有效的解决方案就是把redis.set操作放在队列中使其串行化，必须的一个一个执行，具体的代码就不上了，当然加锁也是可以的，至于为什么不用redis中的事务，留给各位看官自己思考探究。

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