這6個工作面試最常見的高並行快取問題，你會幾個？

前言

一般來說，現在的網際網路應用網站或者APP，它的整體流程可以用我們這個圖裡展示的來表示，使用者請求開始，從這個介面是最裡面的瀏覽器和APP，到網路轉發，再到應用服務，最後到儲存，這純屬可能是資料庫檔案系統，然後再返回到介面呈現內容。

隨著網際網路的普及，內容資訊越來越複雜，使用者數和存取量越來越大，我們的應用需要支撐更多的並行量，同時，我們的應用伺服器和資料庫伺服器所做的計算也越來越多，但是，往往我們的應用伺服器的資源是有限的，而且技術變革是緩慢的，所以每秒能接收請求次數也是有限的，或者說檔案的讀寫也是有限的。

如何能有效利用有限的資源來提供儘可能大的吞吐量呢？一個有效的辦法就是引入快取，打破圖中的標準的流程，每個環節中請求可以從快取中直接獲取目標資料並返回，從而減少他們的計算量，來有效提升響應速度，讓有限的資源服務更多的使用者，像我們這個圖裡展示的快取的使用，它其實可以出現在1到4的各個環節中。

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1 快取一致性問題

當資料時效性要求很高時，需要保證快取中的資料與資料庫中的保持一致，而且需要保證快取節點和副本中的資料也保持一致，不能出現差異現象。

這就比較依賴快取的過期和更新策略。一般會在資料發生更改的時，主動更新快取中的資料或者移除對應的快取。

2 快取並行問題

快取過期後將嘗試從後端資料庫獲取資料，這是一個看似合理的流程。但是，在高並行場景下，有可能多個請求並行的去從資料庫獲取資料，對後端資料庫造成極大的衝擊，甚至導致 「雪崩」現象。

此外，當某個快取key在被更新時，同時也可能被大量請求在獲取，這也會導致一致性的問題。那如何避免類似問題呢？

我們會想到類似「鎖」的機制，在快取更新或者過期的情況下，先嚐試獲取到鎖，當更新或者從資料庫獲取完成後再釋放鎖，其他的請求只需要犧牲一定的等待時間，即可直接從快取中繼續獲取資料。

3 快取穿透問題

快取穿透在有些地方也稱為「擊穿」。很多朋友對快取穿透的理解是：由於快取故障或者快取過期導致大量請求穿透到後端資料庫伺服器，從而對資料庫造成巨大沖擊。

這其實是一種誤解。真正的快取穿透應該是這樣的：

在高並行場景下，如果某一個key被高並行存取，沒有被命中，出於對容錯性考慮，會嘗試去從後端資料庫中獲取，從而導致了大量請求達到資料庫，而當該key對應的資料本身就是空的情況下，這就導致資料庫中並行的去執行了很多不必要的查詢操作，從而導致巨大沖擊和壓力。

可以通過下面的幾種常用方式來避免快取傳統問題：

（1）快取空物件

對查詢結果為空的物件也進行快取，如果是集合，可以快取一個空的集合（非null），如果是快取單個物件，可以通過欄位標識來區分。這樣避免請求穿透到後端資料庫。

同時，也需要保證快取資料的時效性。這種方式實現起來成本較低，比較適合命中不高，但可能被頻繁更新的資料。

（2）單獨過濾處理

對所有可能對應資料為空的key進行統一的存放，並在請求前做攔截，這樣避免請求穿透到後端資料庫。這種方式實現起來相對複雜，比較適合命中不高，但是更新不頻繁的資料。

4 快取顛簸問題

快取的顛簸問題，有些地方可能被成為「快取抖動」，可以看做是一種比「雪崩」更輕微的故障，但是也會在一段時間內對系統造成衝擊和效能影響。一般是由於快取節點故障導致。業內推薦的做法是通過一致性Hash演演算法來解決。

5 快取的雪崩現象

快取雪崩就是指由於快取的原因，導致大量請求到達後端資料庫，從而導致資料庫崩潰，整個系統崩潰，發生災難。

導致這種現象的原因有很多種，上面提到的「快取並行」，「快取穿透」，「快取顛簸」等問題，其實都可能會導致快取雪崩現象發生。這些問題也可能會被惡意攻擊者所利用。

還有一種情況，例如某個時間點內，系統預載入的快取週期性集中失效了，也可能會導致雪崩。為了避免這種週期性失效，可以通過設定不同的過期時間，來錯開快取過期，從而避免快取集中失效。

從應用架構角度，我們可以通過限流、降級、熔斷等手段來降低影響，也可以通過多級快取來避免這種災難。

此外，從整個研發體系流程的角度，應該加強壓力測試，儘量模擬真實場景，儘早的暴露問題從而防範。

6 快取無底洞現象

該問題由 facebook 的工作人員提出的， facebook 在 2010 年左右，memcached 節點就已經達3000 個，快取數千 G 內容。

他們發現了一個問題—memcached 連線頻率，效率下降了，於是加 memcached 節點，新增了後，發現因為連線頻率導致的問題，仍然存在，並沒有好轉，稱之為」無底洞現象」。

目前主流的資料庫、快取、Nosql、搜尋中介軟體等技術棧中，都支援「分片」技術，來滿足「高效能、高並行、高可用、可延伸」等要求。

有些是在client端通過Hash取模（或一致性Hash）將值對映到不同的範例上，有些是在client端通過範圍取值的方式對映的。當然，也有些是在伺服器端進行的。

但是，每一次操作都可能需要和不同節點進行網路通訊來完成，範例節點越多，則開銷會越大，對效能影響就越大。

主要可以從如下幾個方面避免和優化：

（1）資料分佈方式

有些業務資料可能適合Hash分佈，而有些業務適合採用範圍分佈，這樣能夠從一定程度避免網路IO的開銷。

（2）IO優化

可以充分利用連線池，NIO等技術來儘可能降低連線開銷，增強並行連線能力。

（3）資料存取方式

一次性獲取大的資料集，會比分多次去獲取小資料集的網路IO開銷更小。

當然，快取無底洞現象並不常見。在絕大多數的公司裡可能根本不會遇到。

總結

希望這篇文章對大家有幫助！

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