缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩解决方案分析

前言

设计一个缓存系统，不得不要考虑的问题就是：缓存穿透、缓存击穿与失效时的雪崩效应。

缓存穿透

缓存穿透是指查询一个必定不存在的数据，因为缓存是不命中时被动写的，而且出于容错考虑，若是从存储层查不到数据则不写入缓存，这将致使这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key频繁攻击咱们的应用，这就是漏洞。

解决方案

有不少种方法能够有效地解决缓存穿透问题，最多见的则是采用布隆过滤器，将全部可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个必定不存在的数据会被 这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。另外也有一个更为简单粗暴的方法（咱们采用的就是这种），若是一个查询返回的数据为空（无论是数 据不存在，仍是系统故障），咱们仍然把这个空结果进行缓存，但它的过时时间会很短，最长不超过五分钟。

缓存雪崩

缓存雪崩是指在咱们设置缓存时采用了相同的过时时间，致使缓存在某一时刻同时失效，请求所有转发到DB，DB瞬时压力太重雪崩。

解决方案

缓存失效时的雪崩效应对底层系统的冲击很是可怕。大多数系统设计者考虑用加锁或者队列的方式保证缓存的单线 程（进程）写，从而避免失效时大量的并发请求落到底层存储系统上。这里分享一个简单方案就时讲缓存失效时间分散开，好比咱们能够在原有的失效时间基础上增长一个随机值，好比1-5分钟随机，这样每个缓存的过时时间的重复率就会下降，就很难引起集体失效的事件。

缓存击穿

对于一些设置了过时时间的key，若是这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种很是“热点”的数据。这个时候，须要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题，这个和缓存雪崩的区别在于这里针对某一key缓存，前者则是不少key。

缓存在某个时间点过时的时候，刚好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，这些请求发现缓存过时通常都会从后端DB加载数据并回设到缓存，这个时候大并发的请求可能会瞬间把后端DB压垮。

解决方案

使用互斥锁(mutex key)

业界比较经常使用的作法，是使用mutex。简单地来讲，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是当即去load db，而是先使用缓存工具的某些带成功操做返回值的操做（好比Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一个mutex key，当操做返回成功时，再进行load db的操做并回设缓存；不然，就重试整个get缓存的方法。

SETNX，是「SET if Not eXists」的缩写，也就是只有不存在的时候才设置，能够利用它来实现锁的效果。在redis2.6.1以前版本未实现setnx的过时时间，因此这里给出两种版本代码参考：

public String get(String key){
  //先从缓存中取值
    String value = redis.get(key);
    if(null == value){   //缓存失效
       if(redis.setnx(key_mutex,"1")){
          //设置3秒过时时间
           redis.expire(key_mutex,3*60);
           //从数据库中取值
           value = db.get(key);
           //设置到缓存中
           redis.set(key,value);
           //清除
           redis.delete(key_mutex);
       } else{
           //其余线程休眠50秒后重试
           Thread.sleep(50);
           get(key);
       }
    }
}


public String get(key){
   String value = redis.get(key);
   if(null == value){   //缓存失效（过时）
     if(redis.setnx(key_mutex,1,3*60) == 1){ //表示设置成功
         //从数据库中取值
        value = db.get(key);
        //设置缓存过时时间
        redis.set(key,value,expire_secs);
        redis.del(key_mutex);
     }else{
         Thread.sleep(50);
         get(key);
     }
   }else{
       return value;
   }
}