快取擊穿、穿透、雪崩及解決方案

Redis是一種高效能的鍵值型資料庫，它可以用來實現快取功能，提高應用的響應速度和承載能力。但是，使用Redis快取也會遇到一些常見的問題，比如快取擊穿、快取穿透、快取雪崩。這些問題都會影響快取的效率和穩定性，所以需要了解它們的原因和解決方案，保障Redis能夠正常執行。

擊穿、穿透、雪崩的意思

擊穿、穿透、雪崩這三個詞語很容易混淆，本文先對詞語進行理解，再講解技術

擊穿：擊穿拆開後，是擊和穿。擊意為敲打，或做類似敲打的動作。穿意為穿透

擊是什麼？如下圖，攻擊的意思

穿是什麼？如下圖，穿透，造成的效果就是個洞

雪崩的意思很簡單，就是一個字多，如下圖

白話講解一下，擊穿就是先擊後穿；穿透就是穿透，有個洞；雪崩就是多，很多很多

再從技術角度說明擊穿、穿透、雪崩

擊穿意為先擊後穿。熱點資料存在，且能夠擊中。但是由於熱點資料失效從而存取資料庫

穿透意為直接穿。由於存取不存在的資料，從而直接存取資料庫

雪崩意為多，大量。大量快取同時失效，從而直接存取資料庫

快取擊穿的定義：某個熱點資料在快取中過期或失效時，大量的請求同時存取該資料，導致資料庫壓力過大甚至崩潰的現象。通常會發生在資料更新頻率較高或者快取設定了相同的過期時間的時候。

實際上可以這麼理解：應該有的資料但是沒讀到，從而擊穿了快取，直接存取資料庫

可採取的方案：

不設定過期時間或設定較長的過期時間：這樣可以避免熱點資料同時失效，但是也會增加記憶體佔用和資料不一致的風險
定時更新。比如這個熱點資料的過期時間是 2 小時，那麼每到 1小時50 分鐘時，通過定時任務去更新這個熱點 key，並重新設定其過期時間
互斥鎖：當快取中沒有資料時，只允許一個執行緒去資料庫查詢並更新快取，其他執行緒等待該執行緒完成後再從快取中獲取資料。這樣可以減少對資料庫的並行存取，但是也會降低系統的吞吐量和響應速度
分散式鎖：當多個Redis節點存在時，可以使用分散式鎖來保證只有一個節點去資料庫查詢並更新快取，其他節點等待該節點完成後再從快取中獲取資料。這樣可以避免多個Redis節點同時存取資料庫，但是也會增加系統的複雜度和延遲

快取穿透的定義：

使用者查詢一個不存在的資料，導致快取中沒有該資料，每次都要去資料庫查詢，而資料庫中也沒有該資料，造成無效的查詢和資源浪費的現象。通常會發生在使用者惡意攻擊或者引數校驗不嚴格的時候

實際上可以這麼理解：不應該有的資料非要讀，從而穿透了快取，直接存取資料庫

可採取的方案：

業務層校驗。使用者發過來的請求，根據請求引數進行校驗，對於明顯錯誤的引數，直接攔截返回。比如請求引數為主鍵自增 id ，那麼對於請求小於 0 的 id 引數，明顯不符合業務邏輯。
快取空值：當資料庫中沒有查詢到資料時，仍然將空值或者預設值寫入快取，並設定一個較短的過期時間。這樣可以減少對資料庫的存取次數，但也會佔用一定的記憶體
使用布隆過濾器：布隆過濾器是一種概率型的資料結構，它可以判斷一個元素是否可能存在於一個集合中。可以將所有可能存在的資料的鍵值雜湊到一個足夠大的點陣圖中，當用戶查詢一個資料時，先用布隆過濾器判斷該鍵值是否可能存在，如果不存在則直接返回，如果存在則再去快取和資料庫中查詢。這樣可以有效地攔截不存在的資料請求，但是也會有一定的誤判率和記憶體開銷

快取雪崩的定義：在某個時間點，大量的快取資料同時失效或者快取伺服器宕機，導致所有的請求都要去資料庫查詢，造成資料庫壓力過大甚至崩潰的現象。這種情況通常發生在快取設定了相同或者相近的過期時間或者快取伺服器遭遇意外故障的場景下。

實際上可以這麼理解：大量資料讀取，從而使快取雪崩，直接存取資料庫

為了防止快取雪崩，可以採用以下幾種方法：

設定不同的過期時間。可以給快取設定不同或者隨機的過期時間，避免大量的快取同時失效，造成資料庫壓力突增
快取預熱：對於即將來臨的大量請求，可以將資料提前快取在Redis中，並設定不同的過期時間
使用多級快取：可以構建多級快取架構，比如Nginx快取+Redis快取+本地快取等，當某一級快取出現問題時，可以從其他級別的快取中獲取資料，增加系統的容錯能力
使用限流熔斷：可以利用一些限流和熔斷元件，對請求進行限流和降級處理，當請求超過系統能承受的閥值時，直接拒絕或者返回預設值，保護資料庫不被打垮
使用叢集和負載均衡：可以將Redis部署成叢集模式，並使用負載均衡元件，比如LVS、HAProxy等，對請求進行分發和轉發，提高Redis的可用性和並行能力

本文介紹了快取擊穿、快取穿透和快取雪崩三種問題及解決方案。通過本文，可以瞭解到：