Redis以及Redis的缓存雪崩、缓存穿透、缓存预热、缓存更新、缓存降级等问题

￡神魔★判官ぃ 2022-02-19 11:47 333阅读 0赞

**Redis简介：**  
Redis是一个开源的内存中的数据结构存储系统，它可以用作：数据库、缓存和消息中间件。 它支持多种类型的数据结构，如字符串（String），散列（Hash），列表（List），集合（Set），有序集合（Sorted Set或者是ZSet）与范围查询，Bitmaps，Hyperloglogs 和地理空间（Geospatial）索引半径查询。其中常见的数据结构类型有：String、List、Set、Hash、ZSet这5种。  
Redis 内置了复制（Replication），LUA脚本（Lua scripting）， LRU驱动事件（LRUeviction），事务（Transactions） 和不同级别的磁盘持久化（Persistence），并通过Redis哨兵（Sentinel）和自动分区（Cluster）提供高可用性（High Availability）。  
Redis也提供了持久化的选项，这些选项可以让用户将自己的数据保存到磁盘上面进行存储。根据实际情况，可以每隔一定时间将数据集导出到磁盘（快照），或者追加到命令日志中（AOF只追加文件），他会在执行写命令时，将被执行的写命令复制到硬盘里面。您也可以关闭持久化功能，将Redis作为一个高效的网络的缓存数据功能使用。  
Redis不使用表，他的数据库不会预定义或者强制去要求用户对Redis存储的不同数据进行关联。  
数据库的工作模式按存储方式可分为：硬盘数据库和内存数据库。Redis 将数据储存在内存里面，读写数据的时候都不会受到硬盘 I/O 速度的限制，所以速度极快。

**为什么使用redis：**

（一）性能
    	我们在碰到需要执行耗时特别久，且结果不频繁变动的SQL，就特
    别适合将运行结果放入缓存。这样，后面的请求就去缓存中读取，使得请求能够迅速响应。
    	
    （二）并发
    	在大并发的情况下，所有的请求直接访问数据库，数据库会出现连
    接异常。这个时候，就需要使用redis做一个缓冲操作，让请求先访问到redis，
    而不是直接访问数据库。

**Redis为什么这么快：**

1、完全基于内存，绝大部分请求是纯粹的内存操作，非常快速,						
    数据存在内存中，类似于HashMap，HashMap的优势就是查找和操作的时间复杂度都是O(1)；		
    2、数据结构简单，对数据操作也简单，Redis中的数据结构是专门进行设计的；
    3、采用单线程，避免了不必要的上下文切换和竞争条件，也不存在多进程或者多线程导致
    的切换而消耗 CPU，不用去考虑各种锁的问题，不存在加锁释放锁操作，没有因为可能出
    现死锁而导致的性能消耗；
    4、使用多路I/O复用模型，非阻塞IO；
    5、使用底层模型不同，它们之间底层实现方式以及与客户端之间通信的应用协议不一样，
    Redis直接自己构建了VM 机制 ，因为一般的系统调用系统函数的话，会浪费一定的时间去
    移动和请求；
    以上几点都比较好理解，下边我们针对多路 I/O 复用模型进行简单的探讨：
    （1）多路 I/O 复用模型
    多路I/O复用模型是利用 select、poll、epoll 可以同时监察多个流的 I/O 事件的能力，在
    空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有 I/O 事件时，就从阻塞态中唤
    醒，于是程序就会轮询一遍所有的流（epoll 是只轮询那些真正发出了事件的流），并且只
    依次顺序的处理就绪的流，这种做法就避免了大量的无用操作。
    这里“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个线程。采用多路 I/O 复用
    技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络 IO 的时间消耗），且 Redis
    在内存中操作数据的速度非常快，也就是说内存内的操作不会成为影响Redis性能的瓶颈，
    主要由以上几点造就了 Redis 具有很高的吞吐量。
    五、那么为什么Redis是单线程的
    我们首先要明白，上边的种种分析，都是为了营造一个Redis很快的氛围！官方FAQ表示，
    因为Redis是基于内存的操作，CPU不是Redis的瓶颈，Redis的瓶颈最有可能是机器内存的
    大小或者网络带宽。既然单线程容易实现，而且CPU不会成为瓶颈，那就顺理成章地采用单
    线程的方案了（毕竟采用多线程会有很多麻烦！）。

一、缓存雪崩  
缓存雪崩我们可以简单的理解为：由于原有缓存失效，新缓存未到期间(例如：我们设置缓存时采用了相同的过期时间，在同一时刻出现大面积的缓存过期)，所有原本应该访问缓存的请求都去查询数据库了，而对数据库CPU和内存造成巨大压力，严重的会造成数据库宕机。从而形成一系列连锁反应，造成整个系统崩溃。

二、缓存穿透  
缓存穿透是指用户查询数据，在数据库没有，自然在缓存中也不会有。这样就导致用户查询的时候，在缓存中找不到，每次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）。这样请求就绕过缓存直接查数据库，这也是经常提的缓存命中率问题。  
有很多种方法可以有效地解决缓存穿透问题，最常见的则是采用布隆过滤器，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个一定不存在的数据会被这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。  
另外也有一个更为简单粗暴的方法，如果一个查询返回的数据为空（不管是数据不存在，还是系统故障），我们仍然把这个空结果进行缓存，但它的过期时间会很短，最长不超过五分钟。通过这个直接设置的默认值存放到缓存，这样第二次到缓冲中获取就有值了，而不会继续访问数据库，这种办法最简单粗暴！

三、缓存预热  
缓存预热这个应该是一个比较常见的概念，相信很多小伙伴都应该可以很容易的理解，缓存预热就是系统上线后，将相关的缓存数据直接加载到缓存系统。这样就可以避免在用户请求的时候，先查询数据库，然后再将数据缓存的问题！用户直接查询事先被预热的缓存数据！  
解决思路：  
1、直接写个缓存刷新页面，上线时手工操作下；  
2、数据量不大，可以在项目启动的时候自动进行加载；  
3、定时刷新缓存；

四、缓存更新  
除了缓存服务器自带的缓存失效策略之外（Redis默认的有6中策略可供选择），我们还可以根据具体的业务需求进行自定义的缓存淘汰，常见的策略有两种：  
（1）定时去清理过期的缓存；  
（2）当有用户请求过来时，再判断这个请求所用到的缓存是否过期，过期的话就去底层系统得到新数据并更新缓存。  
两者各有优劣，第一种的缺点是维护大量缓存的key是比较麻烦的，第二种的缺点就是每次用户请求过来都要判断缓存失效，逻辑相对比较复杂！具体用哪种方案，大家可以根据自己的应用场景来权衡。

五、缓存降级  
当访问量剧增、服务出现问题（如响应时间慢或不响应）或非核心服务影响到核心流程的性能时，仍然需要保证服务还是可用的，即使是有损服务。系统可以根据一些关键数据进行自动降级，也可以配置开关实现人工降级。  
降级的最终目的是保证核心服务可用，即使是有损的。而且有些服务是无法降级的（如加入购物车、结算）。  
在进行降级之前要对系统进行梳理，看看系统是不是可以丢卒保帅；从而梳理出哪些必须誓死保护，哪些可降级；比如可以参考日志级别设置预案：  
（1）一般：比如有些服务偶尔因为网络抖动或者服务正在上线而超时，可以自动降级；  
（2）警告：有些服务在一段时间内成功率有波动（如在95~100%之间），可以自动降级或人工降级，并发送告警；  
（3）错误：比如可用率低于90%，或者数据库连接池被打爆了，或者访问量突然猛增到系统能承受的最大阀值，此时可以根据情况自动降级或者人工降级；  
（4）严重错误：比如因为特殊原因数据错误了，此时需要紧急人工降级。