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Redis快取穿透、快取雪崩、redis併發問題分析

把redis作為快取使用已經是司空見慣,但是使用redis後也可能會碰到一系列的問題,尤其是資料量很大的時候,經典的幾個問題如下:(一)快取和資料庫間資料一致性問題

分散式環境下(單機就不用說了)非常容易出現快取和資料庫間的資料一致性問題,針對這一點的話,只能說,如果你的專案對快取的要求是強一致性的,那麼請不要使用快取。我們只能採取合適的策略來降低快取和資料庫間資料不一致的概率,而無法保證兩者間的強一致性。合適的策略包括 合適的快取更新策略,更新資料庫後要及時更新快取、快取失敗時增加重試機制,例如MQ模式的訊息佇列。

()快取擊穿問題快取擊穿表示惡意使用者模擬請求很多快取中不存在的資料,由於快取中都沒有,導致這些請求短時間內直接落在了資料庫上,導致資料庫異常。這個我們在實際專案就遇到了,有些搶購活動、秒殺活動的介面API被大量的惡意使用者刷,導致短時間內資料庫宕機了,好在資料庫是多主多從的,hold住了。
解決方案的話:1、使用互斥鎖排隊業界比價普遍的一種做法,即根據key獲取value值為空時,鎖上,從資料庫中load資料後再釋放鎖。若其它執行緒獲取鎖失敗,則等待一段時間後重試。這裡要注意,分散式環境中要使用分散式鎖,單機的話用普通的鎖(synchronized、Lock)就夠了。
  1. public String getWithLock(String key, Jedis jedis, String lockKey, String uniqueId, long expireTime) {
  2. // 通過key獲取value
  3. String value = redisService.get(key);
  4. if (StringUtil.isEmpty(value)) {
  5. // 分散式鎖,詳細可以參考https://blog.csdn.net/fanrenxiang/article/details/79803037
  6. //封裝的tryDistributedLock包括setnx和expire兩個功能,在低版本的redis中不支援
  7. try {
  8. boolean locked = redisService.tryDistributedLock(jedis, lockKey, uniqueId, expireTime);
  9. if (locked) {
  10. value = userService.getById(key);
  11. redisService.set(key, value);
  12. redisService.del(lockKey);
  13. return value;
  14. } else {
  15. // 其它執行緒進來了沒獲取到鎖便等待50ms後重試
  16. Thread.sleep(50);
  17. getWithLock(key, jedis, lockKey, uniqueId, expireTime);
  18. }
  19. } catch (Exception e) {
  20. log.error("getWithLock exception=" + e);
  21. return value;
  22. } finally {
  23. redisService.releaseDistributedLock(jedis, lockKey, uniqueId);
  24. }
  25. }
  26. return value;
  27. }
這樣做思路比較清晰,也從一定程度上減輕資料庫壓力,但是鎖機制使得邏輯的複雜度增加,吞吐量也降低了,有點治標不治本。2、布隆過濾器(推薦)bloomfilter就類似於一個hash set,用於快速判某個元素是否存在於集合中,其典型的應用場景就是快速判斷一個key是否存在於某容器,不存在就直接返回。布隆過濾器的關鍵就在於hash演算法和容器大小,下面先來簡單的實現下看看效果,我這裡用guava實現的布隆過濾器:
  1. <dependencies>
  2. <dependency>
  3. <groupId>com.google.guava</groupId>
  4. <artifactId>guava</artifactId>
  5. <version>23.0</version>
  6. </dependency>
  7. </dependencies>
  1. public class BloomFilterTest {
  2. private static final int capacity = 1000000;
  3. private static final int key = 999998;
  4. private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), capacity);
  5. static {
  6. for (int i = 0; i < capacity; i++) {
  7. bloomFilter.put(i);
  8. }
  9. }
  10. public static void main(String[] args) {
  11. /*返回計算機最精確的時間,單位微妙*/
  12. long start = System.nanoTime();
  13. if (bloomFilter.mightContain(key)) {
  14. System.out.println("成功過濾到" + key);
  15. }
  16. long end = System.nanoTime();
  17. System.out.println("布隆過濾器消耗時間:" + (end - start));
  18. int sum = 0;
  19. for (int i = capacity + 20000; i < capacity + 30000; i++) {
  20. if (bloomFilter.mightContain(i)) {
  21. sum = sum + 1;
  22. }
  23. }
  24. System.out.println("錯判率為:" + sum);
  25. }
  26. }
  1. 成功過濾到999998
  2. 布隆過濾器消耗時間:215518
  3. 錯判率為:318

可以看到,100w個數據中只消耗了約0.2毫秒就匹配到了key,速度足夠快。然後模擬了1w個不存在於布隆過濾器中的key,匹配錯誤率為318/10000,也就是說,出錯率大概為3%,跟蹤下BloomFilter的原始碼發現預設的容錯率就是0.03:

  1. public static <T> BloomFilter<T> create(Funnel<T> funnel, int expectedInsertions /* n */) {
  2. return create(funnel, expectedInsertions, 0.03); // FYI, for 3%, we always get 5 hash functions
  3. }
我們可呼叫BloomFilter的這個方法顯式的指定誤判率:
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), capacity,0.01);
我們斷點跟蹤下,誤判率為0.02和預設的0.03時候的區別:

對比兩個出錯率可以發現,誤判率為0.02時陣列大小為8142363,0.03時為7298440,誤判率降低了0.01,BloomFilter維護的陣列大小也減少了843923,可見BloomFilter預設的誤判率0.03是設計者權衡系統性能後得出的值。要注意的是,布隆過濾器不支援刪除操作。用在這邊解決快取穿透問題就是:
  1. public String getByKey(String key) {
  2. // 通過key獲取value
  3. String value = redisService.get(key);
  4. if (StringUtil.isEmpty(value)) {
  5. if (bloomFilter.mightContain(key)) {
  6. value = userService.getById(key);
  7. redisService.set(key, value);
  8. return value;
  9. } else {
  10. return null;
  11. }
  12. }
  13. return value;
  14. }

(三)快取雪崩問題

快取在同一時間內大量鍵過期(失效),接著來的一大波請求瞬間都落在了資料庫中導致連線異常。解決方案:1、也是像解決快取穿透一樣加鎖排隊,實現同上;2、建立備份快取,快取A和快取B,A設定超時時間,B不設值超時時間,先從A讀快取,A沒有讀B,並且更新A快取和B快取;
  1. public String getByKey(String keyA,String keyB) {
  2. String value = redisService.get(keyA);
  3. if (StringUtil.isEmpty(value)) {
  4. value = redisService.get(keyB);
  5. String newValue = getFromDbById();
  6. redisService.set(keyA,newValue,31, TimeUnit.DAYS);
  7. redisService.set(keyB,newValue);
  8. }
  9. return value;
  10. }

(四)快取併發問題

這裡的併發指的是多個redis的client同時set key引起的併發問題。比較有效的解決方案就是把redis.set操作放在佇列中使其序列化,必須的一個一個執行,具體的程式碼就不上了,當然加鎖也是可以的,至於為什麼不用redis中的事務,留給各位看官自己思考探究。