詳解Java分散式快取系統中必須解決的四大問題

分散式快取系統是三高架構中不可或缺的部分，極大地提高了整個專案的並行量、響應速度，但它也帶來了新的需要解決的問題，分別是： 快取穿透、快取擊穿、快取雪崩和快取一致性問題。

快取穿透

第一個比較大的問題就是快取穿透。這個概念比較好理解，和命中率有關。如果命中率很低，那麼壓力就會集中在資料庫持久層。

假如能找到相關資料，我們就可以把它快取起來。但問題是，本次請求，在快取和持久層都沒有命中，這種情況就叫快取的穿透。

舉個例子，如上圖，在一個登入系統中，有外部攻擊，一直嘗試使用不存在的使用者進行登入，這些使用者都是虛擬的，不能有效地被快取起來，每次都會到資料庫中查詢一次，最後就會造成服務的效能故障。

解決這個問題有多種方案，我們來簡單介紹一下。

第一種就是把空物件快取起來。不是持久層查不到資料嗎？那麼我們就可以把本次請求的結果設定為 null，然後放入到快取中。通過設定合理的過期時間，就可以保證後端資料庫的安全。

快取空物件會佔用額外的快取空間，還會有資料不一致的時間視窗，所以第二種方法就是針對巨量資料量的、有規律的鍵值，使用布隆過濾器進行處理。

一條記錄存在與不存在，是一個 Bool 值，只需要使用 1 位元就可儲存。布隆過濾器就可以把這種是、否操作，壓縮到一個資料結構中。比如手機號，使用者性別這種資料，就非常適合使用布隆過濾器。

快取擊穿

快取擊穿，指的也是使用者請求落在資料庫上的情況，大多數情況，是由於快取時間批次過期引起的。

我們一般會對快取中的資料，設定一個過期時間。如果在某個時刻從資料庫獲取了大量資料，並設定了同樣的過期時間，它們將會在同一時刻失效，造成和快取的擊穿。

對於比較熱點的資料，我們就可以設定它不過期；或者在存取的時候，更新它的過期時間；批次入庫的快取項，也儘量分配一個比較平均的過期時間，避免同一時間失效。

快取雪崩

雪崩這個詞看著可怕，實際情況也確實比較嚴重。快取是用來對系統加速的，後端的資料庫只是資料的備份，而不是作為高可用的備選方案。

當快取系統出現故障，流量會瞬間轉移到後端的資料庫。過不了多久，資料庫將會被大流量壓垮掛掉，這種級聯式的服務故障，可以形象地稱為雪崩。

快取的高可用建設是非常重要的。Redis 提供了主從和 Cluster 的模式，其中 Cluster 模式使用簡單，每個分片也能單獨做主從，可以保證極高的可用性。

另外，我們對資料庫的效能瓶頸有一個大體的評估。如果快取系統當掉，那麼流向資料庫的請求，就可以使用限流元件，將請求攔截在外面。

快取一致性

引入快取元件後，另外一個老大難的問題，就是快取的一致性。

我們首先來看問題是怎麼發生的。對於一個快取項來說，常用的操作有四個：寫入、更新、讀取、刪除。

• 寫入：快取和資料庫是兩個不同的元件，只要涉及雙寫，就存在只有一個寫成功的可能性，造成資料不一致。
• 更新：更新的情況類似，需要更新兩個不同的元件。
• 讀取：讀取要保證從快取中讀到的資訊是最新的，是和資料庫中的是一致的。
• 刪除：當刪除資料庫記錄的時候，如何把快取中的資料也刪掉？

由於業務邏輯大多數情況下，是比較複雜的。其中的更新操作，就非常昂貴，比如一個使用者的餘額，就是通過計算一系列的資產算出來的一個數。如果這些關聯的資產，每個地方改動的時候，都去重新整理快取，那程式碼結構就會非常混亂，以至於無法維護。

我推薦使用觸發式的快取一致性方式，使用懶載入的方式，可以讓快取的同步變得非常簡單：

• 當讀取快取的時候，如果快取裡沒有相關資料，則執行相關的業務邏輯，構造快取資料存入到快取系統；
• 當與快取項相關的資源有變動，則先刪除相應的快取項，然後在資料庫中對資源進行更新，最後再刪除相應的快取項。

這種操作，除了程式設計模型簡單，有一個明顯的好處。我只有在用到這個快取的時候，才把它載入到快取系統中。如果每次修改 都建立、更新資源，那快取系統中就會存在非常多的冷資料。這實際上是實現了邊緣快取模式(Cache-Aside Pattern)，即按需將資料從資料儲存載入到快取中，最大的作用就是提高效能減少不必要的查詢。

但這樣還是有問題。接下來介紹的場景，也是面試中經常提及的問題。

我們上面提到的資料庫的更新動作，和快取刪除動作，明顯是不在一個事務裡的。可能造成資料庫的內容和快取裡的內容在更新的過程有不一致。

在面試中，只要你把這個問題給點出來，面試官都會蹺起大拇指。

可以使用分散式鎖來解決這個問題，將資料庫操作和快取操作，與其他的快取讀操作，使用鎖進行資源隔離即可。一般來說，讀操作是不需要加鎖的，它會在遇到鎖的時候，重試等待，直到超時。

到此這篇關於詳解Java分散式快取系統中必須解決的四大問題的文章就介紹到這了,更多相關Java分散式快取系統內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！