Redis中的快取雪崩、快取擊穿、快取穿透問題

1. 什麼是快取雪崩

當我們提到快取系統中的問題，快取雪崩是一個經常被討論的話題。快取雪崩是指在某一時刻發生大量的快取失效，導致瞬間大量的請求直接打到了資料庫，可能會導致資料庫瞬間壓力過大甚至宕機。尤其在高並行的系統中，這種情況會導致連鎖反應，整個系統可能會崩潰。

1.1 快取雪崩的成因

1. 大量快取同時設定相同的過期時間：如果在某一時刻設定了大量的快取資料，併為它們都設定了相同的過期時間，那麼在未來的某一時刻，這些快取資料都會同時失效。
2. Redis宕機：如果因為某種原因，Redis伺服器突然宕機，那麼所有的快取資料都會消失，導致所有的請求都直接存取資料庫。
3. 誤刪快取資料：如果由於某種原因，大量的快取資料被誤刪除，那麼也會引發快取雪崩。

1.2 如何預防快取雪崩

1. 設定隨機過期時間：為了防止大量的快取同時失效，我們可以為每個快取設定一個隨機的過期時間，這樣就可以確保不會有太多的快取同時失效。
2. 使用熔斷機制：在系統中加入熔斷機制，當資料庫請求到達一定的閾值時，直接拒絕部分請求，以保護資料庫不被過度存取。
3. 雙層快取策略：可以使用兩層快取，一層是熱資料的快取，另一層是冷資料的快取。熱資料快取失效後，可以先存取冷資料快取，而不是直接存取資料庫。
4. 資料預熱：在系統啟動後，預先載入部分常用的資料到快取中，減少在高峰期的資料庫存取。
5. 使用高可用架構：如使用Redis的哨兵模式或者叢集模式，確保Redis服務的高可用。
6. 備份和恢復策略：定期備份Redis資料，並確保在Redis宕機後，可以快速恢復資料。

2. 什麼是快取穿透？

在使用快取的應用程式中，快取穿透是一種指請求查詢一個不存在的資料，由於快取層不存在這個資料，所以請求會穿過快取層直接查詢資料庫，導致資料庫壓力增加。快取穿透通常發生在惡意攻擊或者系統設計不當的情況下。

2.1 導致快取穿透的原因

1. 惡意攻擊：攻擊者有意請求不存在的資料，以使得系統頻繁存取資料庫，造成拒絕服務攻擊。
2. 大量請求：如果一個不存在的熱點資料被大量請求，會導致這些請求穿透快取層直接存取資料庫，增加資料庫壓力。
3. 快取資料失效不及時：當快取中的資料未及時更新或失效，而恰好有大量請求存取這部分失效的資料時，也會導致快取穿透問題。

2.2 緩解快取穿透的方法

1. 布隆過濾器：在快取層前使用布隆過濾器，對所有可能的資料建立一個布隆過濾器，用於快速判斷一個請求的資料是否存在於資料庫中。
2. 空結果快取：對於資料庫中不存在的資料，也將其快取起來，但設定一個較短的過期時間，避免大量的無效請求直接存取資料庫。
3. 合理設定快取時間：根據業務場景，合理設定快取時間，避免快取資料過早失效導致大量請求穿透。

3. 什麼是快取擊穿？

快取擊穿是指在高並行環境下，大量請求同時存取快取中不存在的資料，導致這些請求穿透到資料庫。這會對資料庫造成嚴重的壓力，降低效能。

3.1 快取穿透與快取擊穿的區別

• 快取穿透 是指請求一個不存在於快取中的資料，導致每次請求都直接查詢資料庫。
• 快取擊穿 是指大量請求同時請求一個不存在於快取中的資料，導致資料庫壓力驟增。

3.2 快取擊穿的原因

快取擊穿通常發生在以下情況下：

• 熱點資料：某個資料非常熱門，但快取中沒有。
• 快取失效：快取中的資料過期，但大量請求仍在存取。
• 同時到期：多個資料同時過期，導致並行查詢資料庫。

3.3. 解決快取擊穿問題

• 使用互斥鎖： 通過在快取中設定互斥鎖，只允許一個執行緒查詢資料庫，其他執行緒等待結果。這可以防止多個請求同時穿透到資料庫。
• 預載入資料： 在快取中設定資料預載入，避免等待請求引發快取擊穿。這需要定期重新整理快取，確保熱門資料始終可用。
• 布隆過濾器： 使用布隆過濾器檢查請求的資料是否存在於快取中，如果不存在，不查詢資料庫。這可以減少資料庫查詢次數。
• 優化資料庫查詢： 優化資料庫查詢效能，減少查詢時間，可以降低快取擊穿的風險。使用合適的索引和查詢優化策略。

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