CH06-缓存机制

在实际的工作项目中， 缓存成为高并发、高性能架构的关键组件 ，那么Redis为什么可以作为缓存使用呢？首先可以作为缓存的两个主要特征：

• 在分层系统中处于内存/CPU具有访问性能良好，
• 缓存数据饱和，有良好的数据淘汰机制

由于 Redis 天然就具有这两个特征，Redis 基于内存操作的，且其具有完善的数据淘汰机制，十分适合作为缓存组件。

其中，基于内存操作，容量可以为 32-96GB，且操作时间平均为 100ns，操作效率高。而且数据淘汰机制众多，在Redis 4.0 后就有 8 种了促使 Redis 作为缓存可以适用很多场景。

淘汰机制

Redis 对于缓存被写满的情况，就需要缓存数据淘汰机制，通过一定淘汰规则将一些数据刷选出来删除，让缓存服务可再使用。那么 Redis 使用哪些淘汰策略进行刷选删除数据？

在 Redis 4.0 之后，Redis 缓存淘汰策略 6+2 种，包括分成三大类：

• 不淘汰数据
  • noeviction ，不进行数据淘汰，当缓存被写满后，Redis不提供服务直接返回错误。
• 在设置过期时间的键值对中，
  • volatile-random ，在设置过期时间的键值对中随机删除
  • volatile-ttl ，在设置过期时间的键值对，基于过期时间的先后进行删除，越早过期的越先被删除。
  • volatile-lru ， 基于LRU(Least Recently Used) 算法筛选设置了过期时间的键值对， 最近最少使用的原则来筛选数据
  • volatile-lfu ，使用 LFU( Least Frequently Used ) 算法选择设置了过期时间的键值对, 使用频率最少的键值对,来筛选数据。
• 在所有的键值对中
  • allkeys-random， 从所有键值对中随机选择并删除数据
  • allkeys-lru， 使用 LRU 算法在所有数据中进行筛选
  • allkeys-lfu， 使用 LFU 算法在所有数据中进行筛选

Note: LRU( 最近最少使用，Least Recently Used)算法， LRU维护一个双向链表 ，链表的头和尾分别表示 MRU 端和 LRU 端，分别代表最近最常使用的数据和最近最不常用的数据。

LRU 算法在实际实现时，需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销。而且，当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到 MRU 端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很耗时，进而会降低 Redis 缓存性能。

其中，LRU和LFU 基于Redis的对象结构redisObject的lru和refcount属性实现的:

typedef struct redisObject {
  unsigned type:4;
  unsigned encoding:4;
  // 对象最后一次被访问的时间
  unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
  // 引用计数               * and most significant 16 bits access time). */
  int refcount;
  void *ptr;
} robj;

Redis的LRU会使用redisObject的lru记录最近一次被访问的时间，随机选取参数maxmemory-samples 配置的数量作为候选集合，在其中选择 lru 属性值最小的数据淘汰出去。

在实际项目中，那么该如何选择数据淘汰机制呢？

• 优先选择 allkeys-lru算法，将最近最常访问的数据留在缓存中，提升应用的访问性能。
• 有顶置数据使用 volatile-lru算法 ,顶置数据不设置缓存过期时间，其他数据设置过期时间，基于LRU 规则进行筛选 。

在理解了Redis缓存淘汰机制后，来看看Redis作为缓存共有多少种模式呢？

缓存模式

Redis 缓存模式基于是否接收写请求，可以分成只读缓存和读写缓存：

• 只读缓存：只处理读操作，所有的更新操作都在数据库中，这样数据不会有丢失的风险。

  • Cache Aside模式
  • 

• 读写缓存：读写操作都在缓存中执行，出现宕机故障，会导致数据丢失。缓存写回数据到数据库有分成两种同步和异步：

  • 同步：访问性能偏低，其更加侧重于保证数据可靠性

    • Read-Throug模式
    • Write-Through模式

  • 异步：有数据丢失风险，其侧重于提供低延迟访问

    • Write-Behind模式
  • 

Cache Aside 模式

查询数据先从缓存读取数据，如果缓存中不存在，则再到数据库中读取数据，获取到数据之后更新到缓存Cache中，但更新数据操作，会先去更新数据库种的数据，然后将缓存种的数据失效。

而且Cache Aside模式会存在并发风险：执行读操作未命中缓存，然后查询数据库中取数据，数据已经查询到还没放入缓存，同时一个更新写操作让缓存失效，然后读操作再把查询到数据加载缓存，导致缓存的脏数据。

Read/Write-Throug 模式

查询数据和更新数据都直接访问缓存服务，缓存服务同步方式地将数据更新到数据库。出现脏数据的概率较低，但是就强依赖缓存，对缓存服务的稳定性有较大要求，但同步更新会导致其性能不好。

Write Behind 模式

查询数据和更新数据都直接访问缓存服务，但缓存服务使用异步方式地将数据更新到数据库（通过异步任务） 速度快，效率会非常高，但是数据的一致性比较差，还可能会有数据的丢失情况，实现逻辑也较为复杂。

生产实践

在实际项目开发中根据实际的业务场景需求来进行选择缓存模式。那了解上述后，我们的应用中为什么需要使用到redis缓存呢？

在应用使用Redis缓存可以提高系统性能和并发，主要体现在

• 高性能：基于内存查询，KV结构，简单逻辑运算
• 高并发：Mysql 每秒只能支持2000左右的请求，Redis轻松每秒1W以上。让80%以上查询走缓存，20%以下查询走数据库，能让系统吞吐量有很大的提高

虽然使用Redis缓存可以大大提升系统的性能，但是使用了缓存，会出现一些问题，比如，缓存与数据库双向不一致、缓存雪崩等，对于出现的这些问题该怎么解决呢？

常见问题

使用了缓存，会出现一些问题，主要体现在：

• 缓存与数据库双写不一致
• 缓存雪崩: Redis 缓存无法处理大量的应用请求，转移到数据库层导致数据库层的压力激增;
• 缓存穿透：访问数据不存在在Redis缓存中和数据库中，导致大量访问穿透缓存直接转移到数据库导致数据库层的压力激增;
• 缓存击穿：缓存无法处理高频热点数据，导致直接高频访问数据库导致数据库层的压力激增;

数据一致性

只读缓存(Cache Aside模式)

对于只读缓存(Cache Aside模式)，读操作都发生在缓存中，数据不一致只会发生在删改操作上（新增操作不会，因为新增只会在数据库处理），当发生删改操作时，缓存将数据中标志为无效和更新数据库。因此在更新数据库和删除缓存值的过程中，无论这两个操作的执行顺序谁先谁后，只要有一个操作失败了就会出现数据不一致的情况。

总结出，当不存在并发的情况使用重试机制（消息队列使用），当存在高并发的情况，使用延迟双删除(在第一次删除后，睡眠一定时间后，再进行删除)，具体如下：

延迟双删除伪代码：

redis.delKey(X)
db.update(X)
Thread.sleep(N)
redis.delKey(X)

读写缓存（Read/Write-Throug、Write Behind模式 ）

对于读写缓存，写操作都发生在缓存中，后再更新数据库，只要有一个操作失败了就会出现数据不一致的情况。

总结出，当不存在并发的情况使用重试机制（消息队列使用），当存在高并发的情况，使用分布锁。具体如下：

缓存雪崩

缓存雪崩，由于缓存中有大量数据同时过期失效或者缓存出现宕机，大量的应用请求无法在 Redis 缓存中进行处理，进而发送到数据库层导致数据库层的压力激增，严重的会造成数据库宕机。

对于缓存中有大量数据同时过期，导致大量请求无法得到处理， 解决方式：

• 数据预热，将发生大并发访问前手动触发加载缓存不同的key， 可以避免在用户请求的时候，先查询数据库

• 设置不同的过期时间，让缓存失效的时间点尽量均匀

• 双层缓存策略， 在原始缓存上加上拷贝缓存，原始缓存失效时可以访问拷贝缓存，且原始缓存失效时间设置为短期，拷贝缓存设置为长期

• 服务降级 ， 发生缓存雪崩时，针对不同的数据采取不同的降级方案 ，比如，非核心数据直接返回预定义信息、空值或是错误信息

对于缓存出现宕机，解决方式：

• 业务系统中实现服务熔断或请求限流机制，防止大量访问导致数据库出现宕机

缓存穿透

缓存穿透，数据在数据库和缓存中都不存在，这样就导致查询数据，在缓存中找不到对应key的value，都要去数据库再查询一遍，然后返回空（相当于进行了两次无用的查询）。

当有大量访问请求，且其绕过缓存直接查数据库，导致数据库层的压力激增，严重的会造成数据库宕机。

对于缓存穿透，解决方式：

• 缓存空值或缺省值，当一个查询返回的数据为空时， 空结果也将进行缓存，并将它的过期时间设置比较短，下次访问直接从缓存中取值，避免了把大量请求发送给数据库处理，造成数据库出问题。
• 布隆过滤器( BloomFilter )，将所有可能查询数据key哈希到一个足够大的bitmap中 , 在查询的时候先去BloomFilter去查询key是否存在，如果不存在就直接返回，存在再去查询缓存，缓存中没有再去查询数据库 ，从而避免了数据库层的压力激增出现宕机。

缓存击穿

缓存击穿，针对某个访问非常频繁的热点数据过期失效，导致访问无法在缓存中进行处理，进而会有导致大量的直接请求数据库，从而使得数据库层的压力激增，严重的会造成数据库宕机。

对于缓存击穿，解决方式：

• 不设置过期时间，对于访问特别频繁的热点数据，不设置过期时间。

问题总结

在大多数业务场景下，Redis缓存作为只读缓存使用。针对只读缓存来说， 优先使用先更新数据库再删除缓存的方法保证数据一致性 。

其中，缓存雪崩，缓存穿透，缓存击穿三大问题的原因和解决方式