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Redis–缓存穿透–含义/原因/解决方案

简介

本文介绍Redis的缓存穿透,包括:含义、原因、解决方案。

含义

说明

缓存穿透是指查询一个根本不存在的数据,缓存层没有命中,然后去查数据库(持久层),数据库(持久层)也没有命中。通常如果从存储层查不到数据则不写入缓存层。

比如:用户不断发起请求,通过文章的id来获取文章,如果这个id没有对应的数据,则每次都会请求到数据库。如果这个用户是攻击者,在请求过多时会导致数据库压力过大,严重会击垮数据库。

正常的操作流程

1) 缓存层不命中。
2) 存储层不命中,不将空结果写回缓存。
3) 返回空结果。

后果

缓存穿透将导致不存在的数据每次请求都要到存储层去查询,失去了缓存保护后端存储的意义。

缓存穿透问题可能会使后端数据库负载加大,由于很多数据库不具备高并发性,所以可能造成数据库宕掉。

通常可以在程序中分别统计总调用数、缓存层命中数、存储层命中数,如果发现大量存储层空命中,可能就是出现了缓存穿透问题。

穿透的原因

  1. 一些恶意攻击、 爬虫等造成大量空命中
  2. 自身业务代码或者数据出现问题

解决方案

方案1:缓存空对象

如图2所示,当第2步存储层不命中后,仍然将空对象保留到缓存层中,之后再访问这个数据将会从缓存中获取,这样就保护了后端数据源。

缓存空对象的两个问题

  1. 内存占用增加
    1. 说明:空值做了缓存,意味着缓存层中存了更多的键,需要更多的内存空间(如果是攻击,问题更严重) 。
    2. 解决方案:给这个缓存设置一个较短的过期时间(比如5分钟),让其自动删除。
  2. 缓存层和存储层的数据会有一段时间窗口的不一致,可能会对业务有一定影响。
    1. 说明:假设过期时间设置为5分钟,如果此时存储层添加了这个数据,那此段时间就会出现缓存层和存储层数据的不一致
    2. 解决方案:将数据插入到存储层时,清除掉缓存层中的空对象。

代码实现(Jedis)

String get(String key) {
    // 从缓存中获取数据
    String cacheValue = cache.get(key);
    
    // 缓存为空
    if (StringUtils.isBlank(cacheValue)) {
        // 从存储中获取
        String storageValue = storage.get(key);
        cache.set(key, storageValue);
        
        // 如果存储数据为空, 需要设置一个过期时间(300秒)
        if (storageValue == null) {
            cache.expire(key, 60 * 5);
        }
        return storageValue;
    } else {
        // 缓存非空
        return cacheValue;
    }
}

方案2:布隆过滤器

布隆过滤器详见:Redis–布隆过滤器–使用/原理/实例 – 自学精灵

如图3所示,在访问缓存层和存储层之前,将存在的key用布隆过滤器提前保存起来,做第一层拦截。

查询的流程:

  1. 如果key在布隆过滤器中,去查询缓存
    1. 如果查询到,则返回缓存中的数据
    2. 如果没查询到,则穿透到db查询。
  2. 如果不在布隆器中
    1. 直接返回。

示例

比如:对于博客系统,一般是通过博客的id去访问。可以先将数据库中存在的博客的id放到布隆过滤器中,请求进来之后,如果id在布隆过滤器中,则允许通过id查到博客详情,否则直接返回空白的博客。在一定程度保护了存储层。

有关布隆过滤器的相关知识,可以参考: https://en.wikipedia.org/wiki/Bloom_filter。可以利用Redis的Bitmaps实现布隆过滤器,GitHub上已经开源了类似的方案,读者可以进行参考: https://github.com/erikdubbelboer/redis-lua-scaling-bloom-filter

这种方法适用于数据命中不高、 数据相对固定、 实时性低(通常是数据集较大) 的应用场景,代码维护较为复杂,但是缓存空间占用少。

方案对比

1

评论2

请先

  1. 为啥不提前把Key缓存到Redis中,在Redis中查询Key是否存在,而不是用布隆过滤器
    ☞胡哈哈 2023-08-07 0
    • 如果数据量比较大,把key存到Redis非常占内存,而布隆过滤器占的内存很小,它是以bitmap的形式存的。
      自学精灵 2023-08-07 0
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