缓存穿透、并发和失效、同步中断，最佳实践及优化方案

摘要：当缓存空间满了，同步失败，网络阻塞，缓存写失败等原因，会出现缓存服务器上并没有这个。这种问题，以前有过实践，修改数据库成功，而修改缓存失败的情况，最主要就是缓存服务器挂了。而缓存服务器挂了，请求首先自然也就无法到达，从而直接访问到数据库。

原文摘自:

缓存穿透、并发和失效，来自一线架构师的解决方案
https://community.qingcloud.com/topic/463

在我们的实践中，原文中有部分解决方案已经过时，在原文的基础上，添加了几个我们常用的方案。

http://www.4wei.cn/archives/1002621

我们在用缓存的时候，不管是Redis或者Memcached，基本上会通用遇到以下三个问题：

缓存穿透

缓存并发

缓存失效

同步、复制中断

注：上面三个图会有什么问题呢？

我们在项目中使用缓存通常都是先检查缓存中是否存在，如果存在直接返回缓存内容，如果不存在就直接查询数据库然后再缓存查询结果返回。

这个时候如果我们查询的某一个数据在缓存中一直不存在，就会造成每一次请求都查询DB，这样缓存就失去了意义，在流量大时，可能DB就挂掉了。

那这种问题有什么好办法解决呢？

要是有人利用不存在的key频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。有一个比较巧妙的作法是，可以将这个不存在的key预先设定一个值。比如，"key" , “&&”。

在返回这个&&值的时候，我们的应用就可以认为这是不存在的key，那我们的应用就可以决定是否继续等待继续访问，还是放弃掉这次操作。如果继续等待访问，过一个时间轮询点后，再次请求这个key，如果取到的值不再是&&，则可以认为这时候key有值了，从而避免了透传到数据库，从而把大量的类似请求挡在了缓存之中。

你应该注意，这里缓存未命中的原因，更值得我们关注。

当缓存空间满了，同步失败，网络阻塞，缓存写失败等原因，会出现缓存服务器上并没有这个key。
或者因为同步中断，在主从架构中，写到主却未同步到从的悲剧，就会出现请求穿透到DB层的情况。

出现这样的情况，一定不能直接将请求穿透到DB层，避免DB当机影响其它业务。
我们的解决方案可以参考。

当业务中请求量特别高，缓存未命中的情况，应该在建立DB保护的基础上，放弃一定比例的请求，直接返回空

可以随机释放一些请求到DB，控制好流量的话，能保证缓存重建且DB不受极端压力

后端异步定时检查缓存，主动建立这些缓存

部分页面可缓存永不过期，后端异步定时检查缓存，主动更新、重建缓存，后端失效也可实现业务降级

通过建立二级缓存，把之前成功获取的缓存数据放到本机缓存，文件也好，共享内存也好，接受一些过期数据

有时候如果网站并发访问高，一个缓存如果失效，可能出现多个进程同时查询DB，同时设置缓存的情况，如果并发确实很大，这也可能造成DB压力过大，还有缓存频繁更新的问题。
我现在的想法是对缓存查询加锁，如果KEY不存在，就加锁，然后查DB入缓存，然后解锁；其他进程如果发现有锁就等待，然后等解锁后返回数据或者进入DB查询。

这种情况和刚才说的预先设定值问题有些类似，只不过利用锁的方式，会造成部分请求等待。

引起这个问题的主要原因还是高并发的时候，平时我们设定一个缓存的过期时间时，可能有一些会设置1分钟啊，5分钟这些，并发很高时可能会出在某一个时间同时生成了很多的缓存，并且过期时间都一样，这个时候就可能引发一当过期时间到后，这些缓存同时失效，请求全部转发到DB，DB可能会压力过重。

那如何解决这些问题呢？

其中的一个简单方案就时讲缓存失效时间分散开，比如我们可以在原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。

我们讨论的第二个问题时针对同一个缓存，第三个问题时针对很多缓存。

接下来我们将发表一些自己的缓存高可用实践，如《基于云平台的缓存集群高可用实践》，欢迎关注。

总结
1、缓存穿透：查询一个必然不存在的数据。比如文章表，查询一个不存在的id，每次都会访问DB，如果有人恶意破坏，很可能直接对DB造成影响。
2、缓存失效：如果缓存集中在一段时间内失效，DB的压力凸显。这个没有完美解决办法，但可以分析用户行为，尽量让失效时间点均匀分布。

当发生大量的缓存穿透，例如对某个失效的缓存的大并发访问就造成了缓存雪崩。

精彩问答
问题：如何解决DB和缓存一致性问题？

当修改了数据库后，有没有及时修改缓存。这种问题，以前有过实践，修改数据库成功，而修改缓存失败的情况，最主要就是缓存服务器挂了。而因为网络问题引起的没有及时更新，可以通过重试机制来解决。而缓存服务器挂了，请求首先自然也就无法到达，从而直接访问到数据库。那么我们在修改数据库后，无法修改缓存，这时候可以将这条数据放到数据库中，同时启动一个异步任务定时去检测缓存服务器是否连接成功，一旦连接成功则从数据库中按顺序取出修改数据，依次进行缓存最新值的修改。

问题：问下缓存穿透那块！例如，一个用户查询文章，通过ID查询，按照之前说的，是将缓存的KEY预先设置一个值，，如果通过ID插过来，发现是预先设定的一个值，比如说是“&&”，那之后的继续等待访问是什么意思，这个ID什么时候会真正被附上用户所需要的值呢？

我刚说的主要是咱们常用的后面配置，前台获取的场景。前台无法获取相应的key，则等待，或者放弃。当在后台配置界面上配置了相关key和value之后，那么以前的key &&也自然会被替换掉。你说的那种情况，自然也应该会有一个进程会在某一个时刻，在缓存中设置这个ID，再有新的请求到达的时候，就会获取到最新的ID和value。

问题：其实用Redis的话，那天看到一个不错的例子，双key，有一个当时生成的一个附属key来标识数据修改到期时间，然后快到的时候去重新加载数据，如果觉得key多可以把结束时间放到主key中，附属key起到锁的功能。

这种方案，之前我们实践过。这种方案会产生双份数据，而且需要同时控制附属key与key之间的关系，操作上有一定复杂度。

问题：多级缓存是什么概念呢？

多级缓存就像我今天之前给大家发的文章里面提到了，将Ehcache与Redis做二级缓存，就像我之前写的文章 http://www.jianshu.com/p/2cd6ad416a5a 提到过的。但同样会存在一致性问题，如果我们需要强一致性的话，缓存与数据库同步是会存在时间差的，所以我们在具体开发的过程中，一定要根据场景来具体分析，二级缓存更多的解决是，缓存穿透与程序的健壮性，当集中式缓存出现问题的时候，我们的应用能够继续运行。