1.什么是缓存
缓存 (cache) 是计算机中的⼀个经典的概念. 在很多场景中都会涉及到.
核⼼思路就是把⼀些常⽤的数据放到触⼿可及(访问速度更快)的地⽅, ⽅便随时读取.
举个例⼦:
⽐如我需要去⾼铁站坐⾼铁. 我们知道坐⾼铁是需要反复刷⾝份证的 (进⼊⾼铁站, 检票, 上⻋,
乘⻋过程中, 出站....).
正常来说, 我的⾝份证是放在⽪箱⾥的(⽪箱的存储空间⼤, ⾜够能装). 但是每次刷⾝份证都需
要开⼀次⽪箱找⾝份证, 就⾮常不⽅便.
因此我就可以把⾝份证先放到⾐服⼝袋⾥. ⼝袋虽然空间⼩, 但是访问速度⽐⽪箱快很多.
这样的话每次刷⾝份证我只需要从⼝袋⾥掏⾝份证就⾏了, 就不必开⽪箱了.
此时 "⼝袋" 就是 "⽪箱" 的缓存. 使⽤缓存能够⼤⼤提⾼访问效率.
这⾥所说的 "触⼿可及" 是个相对的概念.
我们知道, 对于硬件的访问速度来说, 通常情况下:
CPU 寄存器 > 内存 > 硬盘 > ⽹络
那么硬盘相对于⽹络是 "触⼿可及的", 就可以使⽤硬盘作为⽹络的缓存.
内存相对于硬盘是 "触⼿可及的", 就可以使⽤内存作为硬盘的缓存.
CPU 寄存器相对于内存是 "触⼿可及的", 就可以使⽤ CPU 寄存器作为内存的缓存.
对于计算机硬件来说, 往往访问速度越快的设备, 成本越⾼, 存储空间越⼩.
缓存是更快, 但是空间上往往是不⾜的. 因此⼤部分的时候, 缓存只放⼀些 热点数据 (访问频繁的数据), 就⾮常有⽤了
关于 "⼆⼋定律"
20% 的热点数据, 能够应对 80% 的访问场景.
因此只需要把这少量的热点数据缓存起来, 就可以应对⼤多数场景, 从⽽在整体上有明显的性
能提升.
2.使⽤ Redis 作为缓存
在⼀个⽹站中, 我们经常会使⽤关系型数据库 (⽐如 MySQL) 来存储数据.
关系型数据库虽然功能强⼤, 但是有⼀个很⼤的缺陷, 就是性能不⾼. (换⽽⾔之, 进⾏⼀次查询操作消耗 的系统资源较多)
2.1为什么说关系型数据库性能不⾼?
1. 数据库把数据存储在硬盘上, 硬盘的 IO 速度并不快. 尤其是随机访问.
2. 如果查询不能命中索引, 就需要进⾏表的遍历, 这就会⼤⼤增加硬盘 IO 次数.
3. 关系型数据库对于 SQL 的执⾏会做⼀系列的解析, 校验, 优化⼯作.
4. 如果是⼀些复杂查询, ⽐如联合查询, 需要进⾏笛卡尔积操作, 效率更是降低很多.
所以Redis 就是⼀个⽤来作为数据库缓存的常⻅⽅案.
Redis 访问速度⽐ MySQL 快很多. 或者说处理同⼀个访问请求, Redis 消耗的系统资源⽐
MySQL 少很多. 因此 Redis 能⽀持的并发量更⼤.
• Redis 数据在内存中, 访问内存⽐硬盘快很多.
• Redis 只是⽀持简单的 key-value 存储, 不涉及复杂查询的那么多限制规则.
客⼾端访问业务服务器, 发起查询请求.
业务服务器先查询 Redis, 看想要的数据是否在 Redis 中存在.
如果已经在 Redis 中存在了, 就直接返回. 此时不必访问 MySQL 了.
如果在 Redis 中不存在, 再查询 MySQL.
按照上述讨论的 "⼆⼋定律" , 只需要在 Redis 中放 20% 的热点数据, 就可以使 80% 的请求不再真正查 询数据库了.
当然, 实践中究竟是 "⼆⼋", 还是 "⼀九", 还是 "三七", 这个情况可能会根据业务场景的不同, 存在差
异. 但是⾄少绝⼤多数情况下, 使⽤缓存都能够⼤⼤提升整体的访问效率, 降低数据库的压⼒.
注意!
缓存是⽤来加快 "读操作" 的速度的. 如果是 "写操作", 还是要⽼⽼实实写数据库, 缓存并不能
提⾼性能.
3 缓存的更新策略
接下来还有⼀个重要的问题, 到底哪些数据才是 "热点数据" 呢?
1) 定期⽣成
每隔⼀定的周期(⽐如⼀天/⼀周/⼀个⽉), 对于访问的数据频次进⾏统计. 挑选出访问频次最⾼的前 N% 的数据
这种做法实时性较低. 对于⼀些突然情况应对的并不好.
⽐如春节期间, "春晚" 这样的词就会成为⾮常⾼频的词. ⽽平时则很少会有⼈搜索 "春晚"
2) 实时⽣成
先给缓存设定容量上限(可以通过 Redis 配置⽂件的 maxmemory 参数设定).
接下来把⽤⼾每次查询:
• 如果在 Redis 查到了, 就直接返回.
• 如果 Redis 中不存在, 就从数据库查, 把查到的结果同时也写⼊ Redis.
如果缓存已经满了(达到上限), 就触发缓存淘汰策略, 把⼀些 "相对不那么热⻔" 的数据淘汰掉.
按照上述过程, 持续⼀段时间之后 Redis 内部的数据⾃然就是 "热⻔数据" 了.
通⽤的淘汰策略主要有以下⼏种:
下列策略并⾮局限于 Redis, 其他缓存也可以按这些策略展开
FIFO (First In First Out) 先进先出
把缓存中存在时间最久的 (也就是先来的数据) 淘汰掉.
LRU (Least Recently Used) 淘汰最久未使⽤的
记录每个 key 的最近访问时间. 把最近访问时间最⽼的 key 淘汰掉.
LFU (Least Frequently Used) 淘汰访问次数最少的
记录每个 key 最近⼀段时间的访问次数. 把访问次数最少的淘汰掉.
Random 随机淘汰
从所有的 key 中抽取幸运⼉被随机淘汰掉
这⾥的淘汰策略, 我们可以⾃⼰实现. 当然 Redis 也提供了内置的淘汰策略, 也可以供我们直接使⽤.
redis淘汰策略
volatile-lru 当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，从设置了过期时间的key中使⽤LRU（最近最
少使⽤）算法进⾏淘汰
allkeys-lru 当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，从所有key中使⽤LRU（最近最少使⽤）算法进
⾏淘汰
volatile-lfu 4.0版本新增，当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，在过期的key中，使⽤LFU算法
进⾏删除key.
allkeys-lfu 4.0版本新增，当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，从所有key中使⽤LFU算法进⾏
淘汰.
volatile-random 当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，从设置了过期时间的key中，随机淘汰数
据.
allkeys-random 当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，从所有key中随机淘汰数据.
volatile-ttl 在设置了过期时间的key中，根据过期时间进⾏淘汰，越早过期的优先被淘汰.
(相当于 FIFO, 只不过是局限于过期的 key)
noeviction 默认策略，当内存不⾜以容纳新写⼊数据时，新写⼊操作会报错.
整体来说 Redis 提供的策略和我们上述介绍的通⽤策略是基本⼀致的. 只不过 Redis 这⾥会针对 "过期 key" 和 "全部 key" 做分别处理.
4缓存预热, 缓存穿透, 缓存雪崩 和 缓存击穿（重点）
关于缓存预热 (Cache preheating)
什么是缓存预热
使⽤ Redis 作为 MySQL 的缓存的时候, 当 Redis 刚刚启动, 或者 Redis ⼤批 key 失效之后, 此时由于 Redis ⾃⾝相当于是空着的, 没啥缓存数据, 那么 MySQL 就可能直接被访问到, 从⽽造成较⼤的压⼒. 因此就需要提前把热点数据准备好, 直接写⼊到 Redis 中. 使 Redis 可以尽快为 MySQL 撑起保护伞. 热点数据可以基于之前介绍的统计的⽅式⽣成即可. 这份热点数据不⼀定⾮得那么 "准确", 只要能帮助
MySQL 抵挡⼤部分请求即可. 随着程序运⾏的推移, 缓存的热点数据会逐渐⾃动调整, 来更适应当前情 况.
关于缓存穿透 (Cache penetration)
什么是缓存穿透?
访问的 key 在 Redis 和 数据库中都不存在. 此时这样的 key 不会被放到缓存上, 后续如果仍然在访问该 key, 依然会访问到数据库.
这就会导致数据库承担的请求太多, 压⼒很⼤. 这种情况称为 缓存穿透.
为何产⽣?
原因可能有⼏种:
• 业务设计不合理. ⽐如缺少必要的参数校验环节, 导致⾮法的 key 也被进⾏查询了.
• 开发/运维误操作. 不⼩⼼把部分数据从数据库上误删了.
• ⿊客恶意攻击.
如何解决?
• 针对要查询的参数进⾏严格的合法性校验. ⽐如要查询的 key 是⽤⼾的⼿机号, 那么就需要校验当前 key 是否满⾜⼀个合法的⼿机号的格式.
• 针对数据库上也不存在的 key , 也存储到 Redis 中, ⽐如 value 就随便设成⼀个 "". 避免后续频繁访 问数据库.
• 使⽤布隆过滤器先判定 key 是否存在, 再真正查询.
关于缓存雪崩 (Cache avalanche)
什么是缓存雪崩
短时间内⼤量的 key 在缓存上失效, 导致数据库压⼒骤增, 甚⾄直接宕机.
本来 Redis 是 MySQL 的⼀个护盾, 帮 MySQL 抵挡了很多外部的压⼒. ⼀旦护盾突然失效了, MySQL ⾃⾝承担的压⼒骤增, 就可能直接崩溃.
为何产⽣? ⼤规模 key 失效, 可能性主要有两种:
• Redis 挂了.
• Redis 上的⼤量的 key 同时过期.
为啥会出现⼤量的 key 同时过期?
这种和可能是短时间内在 Redis 上缓存了⼤量的 key, 并且设定了相同的过期时间.
如何解决?
部署⾼可⽤的 Redis 集群, 并且完善监控报警体系.
• 不给 key 设置过期时间 或者 设置过期时间的时候添加随机时间因⼦
关于缓存击穿 (Cache breakdown)
什么是缓存击穿?
相当于缓存雪崩的特殊情况. 针对热点 key , 突然过期了, 导致⼤量的请求直接访问到数据库上, 甚⾄引 起数据库宕机.
如何解决?
• 基于统计的⽅式发现热点 key, 并设置永不过期.
• 进⾏必要的服务降级. 例如访问数据库的时候使⽤分布式锁, 限制同时请求数据库的并发数.
至此本文结束，感谢大家观看！