谈谈redis缓存三大问题（一）- 缓存穿透

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-06-26 12:08 5阅读 0赞

这几天抽时间和大家一起聊聊redis缓存在生产环境使用中的几大问题，以及如何去优化代码去避免他！

首先我们来看看缓存使用过程的一个问题：缓存穿透

何为缓存穿透？  
如下是一个正常的业务流程图：比如我一个正常的中国移动用户（非广告）进行一个业务请求，比如根据手机号去查账单信息，正常流程是，手机号输入进去，调用http请求，服务端收到请求后先根据手机号关键字去查询缓存，如果查到了直接返回，如果查不到去查一下数据库。试想一下移动这么大用户群体，如果每个人请求来了都直接查数据库，那么数据库压力可想而知！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
那么这跟缓存穿透有什么关系呢？  
如下：比如哪天老王觉得移动不爽了，搞个代理ip服务器,然后写个程序随机生成非移动手机号，然后去查 “账单” ，很明显这账单是不是一直不存在的，那么缓存是不是会一直查不到！很明显是，那么这么多请求都会全跑到数据库上，要是老王搞个几十台机器，整个浙江省移动的数据库怕是也扛不住这么大压力的！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
如上只是一个简单的小案例说明下什么是缓存穿透！既然有问题，那么肯定是有解决方案的！  
没错，现在业界用的比较多的，应对这种缓存穿透的方案就是使用过滤器！那么何为过滤器呢？  
如下模型：首先讲数据库数据全部缓存起来，然后在查询缓存后，如果缓存不存在，先看下过滤器，如果过滤器中存在，说明数据库中有相关账号信息，可以进行查询操作，如果不存在，那么直接返回即可！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
好！现在我们知道过滤器是什么了，那么就好办了，直接搞个jvm缓存不就好了！但是也不好办，一般热点数据，几十甚至上百G，直接缓存在服务器内存里，显然是不可能实现的！  
那么怎么办呢！其实有方法，现在市面上也有很多成品的过滤器工具给我们直接使用，比如布隆过滤器！有一个google开发的叫guava的项目，就帮我们实现了布隆过滤器，我们拿下来可以直接使用，当然这个项目还有很多其他功能，这边不做赘述！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
pom中直接引用如下依赖即可

<dependency>
        <groupId>com.google.guava</groupId>
        <artifactId>guava</artifactId>
        <version>19.0</version>
    </dependency>

//设置bloom filter 初始化大小，可以
    private static final Integer size = 1000000;
    
    //设置bloom filter 的误判率，该该值必须设置，如果设为0会报错，误判率越低，消耗的内存越多，误判率越高，消耗的内存越少
    private static final double fpp = 0.01;
    
    private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(),size,fpp);
    
    public static void main(String[] args) { 
        for (int i=0;i<size;i++){ 
            bloomFilter.put(i);
        }
        List<Integer> result = new ArrayList<>();
        for (int i=size;i<size+10000;i++){ 
           if (bloomFilter.mightContain(i)){ 
               result.add(i);
           }
        }
        System.out.println(String.format("bloom filter error result size:[%s]",result.size()));
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
如上测试方法，我们定义bloom filter ，往里面插入1000000数据，然后设置误判率为0.01，然后去取10000个不在bloom filter里面的数据，发现取出来的数据是98个，这说明符合我们设置的误判率！在我们生产环境中，比如我们设置容错率0.01，那么10000个请求，只有十个最终会误查数据库，这个比例其实是完全可以接受的！

关于bloom工作原理，其实我们可以把他理解为我们java里面的list，只是这个list底层采用的是BitSet数组结构，Java BitSet可以按位存储，计算机中一个字节(byte)占8位(bit)，而BitSet是位操作的对象，值只有0或1（即true 和 false），基本原理是，用1位来表示一个数据是否出现过，1表示出现过，0为没有出现过。使用用的时候既可根据某一个是否为0表示此数是否出现过。内部维护一个long数组，初始化只有一个long segement，所以BitSet最小的size是64；随着存储的元素越来越多，BitSet内部会自动扩充，一次扩充64位，最终内部是由N个long segement 来存储，默认情况下，BitSet所有位都是0即false；一个1G的空间，有 8*1024*1024*1024=8.58*10^9bit，也就是可以表示85亿个不同的数。这个数据量，相信对于绝大多数企业来说是完全够用的！

详细工作原理（模型）如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
如图：  
1代表bloom filter的bitset，初始值都是0，且支撑动态扩展（数组长度根据期望容错率来动态生成，期望容错率越低，需要的动态数组长度越大，消耗内存越多）  
2代表向bloom filter中添加一个元素，三根线代表三个hash函数（hash函数个数可以根据期望容错率动态设置，期望容错率越低，hash函数越个数多，时间复杂度越高），每个hash计算出一个下标，然后将bitset中对应下标的位改成1  
3，表示判断一个元素是否存在于bloom filter，当有一个值需要判断时，会使用跟put时候完全一样的三个hash函数，然后判断对应下标是否为1，只有都为1的时候，才认为可能存在（这里仅仅是可能存在，存在误判问题），如果只要有一个下标为0，则认为肯定不存在。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
如上图，我添加大概20十几个value到bloom filter，然后右边做判断，可以看到图1，我1右边是没有添加过的，但是会判断是可能存在，原因就是因为：hash冲突。导致1计算的hash值下标都是1,。  
但是图二，只要计算出来有一个下标值为0，则认为肯定不存在了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jhb213_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
如上图，在创建bloom filter的时候：com.google.common.hash.BloomFilter\#create(com.google.common.hash.Funnel<? super T>, long, double, com.google.common.hash.BloomFilter.Strategy) 就会去根据你的期望容错率和期望数据量，计算一个初始化的bitset大小，以及需要hash的hash函数个数。

虽然bloom filter看起来好像是可以解决相关缓存穿透的问题，但是缺点也很明显：  
1，维护麻烦，每次数据库数据新增修改，都需要维护bloom filter  
2，只能新增不能删除，因为存在hash冲突，如果删除有可能存在误删（例：如果数值a1和a2计算结果都有一个共同的index，如果删除a1的时候需要吧index的位置置为0，这样相当于把a2也给删除了，所以是不可取的）  
3，这种实现只支持jvm缓存，简单的说就是不支持分布式，等于如果你一个微服务有十台机器，那么同样的缓存就是10分完全一样的（后面找机会写写基于redis的分布式bloom过滤器）

好了关于缓存穿透的相关问题就先说到这，有不当之处欢迎留言指正！

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