快取穿透/擊穿/雪崩 - 解決方案分析
設計一個快取系統，不得不要考慮的問題就是: 快取穿透、快取擊穿與失效時的雪崩效應。
快取穿透
快取穿透是指查詢一個一定不存在的資料，由於快取是不命中時被動寫的，並且出於容錯考慮，如果從儲存層查不到資料則不寫入快取，這將導致這個不存在的資料每次請求都要到儲存層去查詢，失去了快取的意義。在流量大時，可能DB就掛掉了，要是有人利用不存在的key頻繁攻擊我們的應用，這就是漏洞。
解決方案
有很多種方法可以有效地解決快取穿透問題，最常見的則是採用布隆過濾器，將所有可能存在的資料雜湊到一個足夠大的bitmap中，一個一定不存在的資料會被 這個bitmap攔截掉，從而避免了對底層儲存系統的查詢壓力。另外也有一個更為簡單粗暴的方法（我們採用的就是這種），如果一個查詢返回的資料為空（不管是數 據不存在，還是系統故障），我們仍然把這個空結果進行快取，但它的過期時間會很短，最長不超過五分鐘。
快取雪崩
快取雪崩是指在我們設定快取時採用了相同的過期時間，導致快取在某一時刻同時失效，請求全部轉發到DB，DB瞬時壓力過重雪崩。
解決方案
快取失效時的雪崩效應對底層系統的衝擊非常可怕。大多數系統設計者考慮用加鎖或者佇列的方式保證快取的單線 程（程序）寫，從而避免失效時大量的併發請求落到底層儲存系統上。這裡分享一個簡單方案就時講快取失效時間分散開，比如我們可以在原有的失效時間基礎上增加一個隨機值，比如1-5分鐘隨機，這樣每一個快取的過期時間的重複率就會降低，就很難引發集體失效的事件。
快取擊穿
對於一些設定了過期時間的key，如果這些key可能會在某些時間點被超高併發地訪問，是一種非常“熱點”的資料。這個時候，需要考慮一個問題: 快取被“擊穿”的問題，這個和快取雪崩的區別在於這裡針對某一key快取，前者則是很多key。
快取在某個時間點過期的時候，恰好在這個時間點對這個Key有大量的併發請求過來，這些請求發現快取過期一般都會從後端DB載入資料並回設到快取，這個時候大併發的請求可能會瞬間把後端DB壓垮。
解決方案
1.使用互斥鎖(mutex key)
業界比較常用的做法，是使用mutex。簡單地來說，就是在快取失效的時候（判斷拿出來的值為空），不是立即去load db，而是先使用快取工具的某些帶成功操作返回值的操作（比如Redis的SETNX或者Memcache的ADD）去set一個mutex key，當操作返回成功時，再進行load db的操作並回設快取；否則，就重試整個get快取的方法。
SETNX，是「SET if Not eXists」的縮寫，也就是隻有不存在的時候才設定，可以利用它來實現鎖的效果。在redis2.6.1之前版本未實現setnx的過期時間，所以這裡給出兩種版本程式碼參考:
//2.6.1前單機版本鎖
String get(String key) {
String value = redis.get(key);
if (value== null) {
if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(key_mutex, 3 * 60)
value = db.get(key);
redis.set(key, value);
redis.delete(key_mutex);
} else {
//其他執行緒休息50毫秒後重試
Thread.sleep(50);
get(key);
}
}
}
最新版本程式碼：
public String get(key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) { //代表快取值過期
//設定3min的超時，防止del操作失敗的時候，下次快取過期一直不能load db
if (redis.setnx(key_mutex, 1, 3 * 60) == 1) {//代表設定成功
value = db.get(key);
redis.set(key, value, expire_secs);
redis.del(key_mutex);
} else {//這個時候代表同時候的其他執行緒已經load db並回設到快取了，這時候重試獲取快取值即可
sleep(50);
get(key);//重試
}
} else {
return value;
}
}
memcache程式碼：
if (memcache.get(key) == null) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
value = db.get(key);
memcache.set(key, value);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
}
“提前”使用互斥鎖(mutex key)：
在value內部設定1個超時值(timeout1), timeout1比實際的memcache timeout(timeout2)小。當從cache讀取到timeout1發現它已經過期時候，馬上延長timeout1並重新設定到cache。然後再從資料庫載入資料並設定到cache中。虛擬碼如下：
v = memcache.get(key);
if (v == null) {
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
value = db.get(key);
memcache.set(key, value);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
} else {
if (v.timeout <= now()) {
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
// extend the timeout for other threads
v.timeout += 3 * 60 * 1000;
memcache.set(key, v, KEY_TIMEOUT * 2);
// load the latest value from db
v = db.get(key);
v.timeout = KEY_TIMEOUT;
memcache.set(key, value, KEY_TIMEOUT * 2);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
}
}
“永遠不過期”：
這裡的“永遠不過期”包含兩層意思：
(1) 從redis上看，確實沒有設定過期時間，這就保證了，不會出現熱點key過期問題，也就是“物理”不過期。
(2) 從功能上看，如果不過期，那不就成靜態的了嗎？所以我們把過期時間存在key對應的value裡，如果發現要過期了，通過一個後臺的非同步執行緒進行快取的構建，也就是“邏輯”過期
從實戰看，這種方法對於效能非常友好，唯一不足的就是構建快取時候，其餘執行緒(非構建快取的執行緒)可能訪問的是老資料，但是對於一般的網際網路功能來說這個還是可以忍受。
String get(final String key) {
V v = redis.get(key);
String value = v.getValue();
long timeout = v.getTimeout();
if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
// 非同步更新後臺異常執行
threadPool.execute(new Runnable() {
public void run() {
String keyMutex = "mutex:" + key;
if (redis.setnx(keyMutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(keyMutex, 3 * 60);
String dbValue = db.get(key);
redis.set(key, dbValue);
redis.delete(keyMutex);
}
}
});
}
return value;
}
資源保護：
採用netflix的hystrix，可以做資源的隔離保護主執行緒池，如果把這個應用到快取的構建也未嘗不可。
四種解決方案：沒有最佳只有最合適
| 解決方案 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 簡單分散式互斥鎖（mutex key） |
1.思路簡單 2.保證一致性 |
1.程式碼複雜度增大 2.存在死鎖的風險 3.存線上程池阻塞的風險 |
| “提前”使用互斥鎖 | 1.保證一致性 | 同上 |
| 不過期(本文) | 1.非同步構建快取, 不會阻塞執行緒池 |
1.不保證一致性。 2.程式碼複雜度增大(每個value都要維護一個timekey)。 3.佔用一定的記憶體空間(每個value都要維護一個timekey)。 |
| 資源隔離元件hystrix(本文) |
1.hystrix技術成熟,有效保證後端。 2.hystrix監控強大。 |
1. 部分訪問存在降級策略。 |
四種方案來源網路，詳文請連結：http://carlosfu.iteye.com/blog/2269687?hmsr=toutiao.io&utm_medium=toutiao.io&utm_source=toutiao.io