面试官:你知道缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩吗?

2024年 3月 12日 55.5k 0

前言

又到了一年一度的金三银四了,大家在面试的时候一定被问到过Redis缓存问题吧。可能有些初学者对“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”这几个名词感到陌生,或者了解过但是一时半会没办法理解。没关系,希望通过本文可以让你轻松理解这些概念并掌握其解决方案,然后在即将到来的金三银四面试中对你有所帮助。

面试题剖析

花里胡哨的名词

刚开始我以为“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”说的是3个问题,在各个博客以及视频的讲解下越来越绕。最后我捋了一下,这TM不是一个问题吗。

为了让大家也绕一绕,我把各博客对“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”的描述贴在这里:

缓存击穿是指一个热点的Key在某个瞬间过期失效了,大量的并发请求在缓存获取不到数据后直接请求数据库的现象。

缓存穿透是指查询一个根本不存在的数据,缓存和数据库都不会命中,导致每次请求都要到数据库去查询。

缓存雪崩指的是缓存由于宕机或者某些原因不能提供服务,导致所有的请求去访问数据库,造成数据库查询压力骤增从而宕机。

透过现象看本质

我就非常不理解了,为什么把缓存带来的一个问题分好几个场景去描述,还这解决方案,那解决方案的,花里胡哨的增加了大家的理解难度。

在我看来“缓存击穿、缓存穿透,缓存雪崩”都是在说一个问题,那就是:

缓存没命中,请求落到数据库了

而“缓存雪崩”才突出了问题的本质:

没有缓存的缓冲,数据库承受不了那么大的压力,可能会造成宕机等问题。

仔细想想是不是这样?“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”最终的描述都是请求落到数据库了,只不过场景不同罢了。但不论哪种场景,在并发高的情况下都会给数据库带来压力。

所以,一个问题分这么多场景,引出这么多名词,我认为就是在增加大家的理解难度。

面试题解决方案

有问题就会有解决方案,既然看了这篇文章就不要死记硬背了,不然过段时间又会忘记,跟着思路顺其自然的理解。

透过现象看本质

对于以上的几个场景,要解决的问题就是:

如何提高缓存命中率。

也就是尽量避免请求打到数据库中,尤其是高并发的请求。主要涉及两个层面:

  • 缓存组件要可靠:首先要确保缓存组件足够可靠。
  • 代码逻辑要严谨:在编写代码使用缓存时尽量要把各种场景考虑进去,把问题当作功能的一部分。
  • 像“缓存击穿、缓存穿透”问题的产生都属于代码逻辑不严谨。热点Key怎么能突然消失呢?一个相同的请求怎么能并发访问到数据库呢?怎么能允许一个不存在的数据一直请求呢?这些问题在我看来都是不应该发生的。

    接下来就针对引起“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”的几个问题进行剖析解决。

    提高缓存命中率一:完美处理热点Key的消失

    热点数据通常分为可控和不可控。拿电商系统来讲,商品分类属于可控,因为基本上这类数据是通过后台配置的。而一些商品可能会因为某个原因突然爆火成为热点数据,这类数据属于不可控。

    不论可控或不可控,热点数据不可以突然就消失,所以在缓存时要有对应的策略。

    • 像商品分类这类数据就可以不设置过期时间。
    • 而像不可控的热点数据,要靠一些策略避免其过期,比如通过“看门狗”方式监控热点Key,快过期时进行“续命”。

    可以都不设置过期时间,让淘汰策略去淘汰数据吗?

    非常不建议。

    之前生产环境曾遇到过一个问题:用户每次登录之后会莫名其妙退出。经过排查发现,原来是因为Redis服务容量不足,所以最近登录生成的token一直被淘汰。

    虽然没有报错,但是给用户带来不好的体验,对产品造成非常不好的影响。

    当然,避免不了热点Key被人为删除或者其他恶意破坏,当发生这种情况怎么办?

    如果热点Key不存在缓存中,势必要去数据库中查询了。此时,如果并发请求过高,一定不能让所有请求打到数据库,可以对该key进行加锁处理,获取到锁的请求去数据库访问并缓存,其他请求则等待该key缓存后再访问缓存。

    因为平时写代码会很自然考虑到这一点,所以这也是为什么我刚开始一直不理解“缓存击穿”这样的问题。

    提高缓存命中率二:避免查询不存在的数据

    造成“查询不存在的数据”的原因要么是代码或数据出现问题,要么是遭到恶意的攻击造成的空命中。总之,这种情况无法完全避免。

    但是,我们知道哪些数据会被缓存。这样的话,我们可以将这些数据放在一个“大集合”中,当请求的数据不存在这个“大集合”时,直接返回NULL即可。

    那么问题来了:这个“大集合”放在哪里?肯定不能是数据库,但是内存容量又是有限的。怎么办?

    有一个叫布隆过滤器的数据结构可以解决这个问题。其主要用于检测一个元素是否在一个集合里,其原理是:数据通过一组哈希函数映射到位图中,不论该元素多大都只需要占用1位,从而节省大量空间。如下图

    图片布隆过滤器原理

    这样的话,我就可以将要缓存的数据先放在布隆过滤器中,当查询的数据不在布隆过滤器时就可以直接返回NULL了。

    感兴趣的可以看下 面试官:如何在海量数据中快速检测某个数据

    提高缓存命中率三:降低缓存服务的不可用

    降低缓存服务的不可用也就是提高缓存服务的可用性,也就是Redis的高可用,这个没有什么逻辑就不展开了。

    面试题案例

    模拟案例

    现在,通过代码模拟一个因“缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”,请求并发到MySQL服务上,看会发生什么事。

    服务器环境:1核1G

    编程语言:Java

    案例代码

    public class MainTest {
        private static final String DB_URL = "jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test";
        private static final String USER = "root";
        private static final String PASS = "Mysql123.";
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
            Timer timer = new Timer();
            TimerTask task = new TimerTask() {
                @Override
                public void run() {
                    QueryTask.cacheExist = false;
                }
            };
            timer.schedule(task, 60 * 1000);
    
            while (true) {
    
                ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1500);
                for (int i = 0; i  show variables like '%max_connections%';
    +-----------------+-------+
    | Variable_name   | Value |
    +-----------------+-------+
    | max_connections | 151   |
    +-----------------+-------+

    此时,我将MySQL最大连接数设置为1500。

    mysql> SET GLOBAL max_connections = 1500;
    Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
    
    mysql> show variables like '%max_connections%';
    +-----------------+-------+
    | Variable_name   | Value |
    +-----------------+-------+
    | max_connections | 1500  |
    +-----------------+-------+

    现在执行 SHOW STATUS LIKE 'Threads_connected' 去查看MySQL连接线程数会发现数值突然升高,当连接数为1283 左右时,就会发现MySQL服务已经断开连接或者服务器宕机,也就是缓存雪崩的效果。

    图片图片

    MySQL压力过高宕机

    总结

    面试时不要被花里胡哨的问题迷惑住,要思考一下问题的本质。

    “缓存击穿、缓存穿透、缓存雪崩”问题的本质就是:

    当缓存没命中或失效,并发的请求打到数据库怎么办?

    通过上面的描述,此类问题要有以下考虑:

  • 提高缓存命中率。比如,要解决热点Key的突然消失、要避免查询不存在的数据等。
  • 数据库并发请求要设置合理。太低了浪费资源,太高了就会出现MySQL服务宕机情况。
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