Redis快取三大異常的處理方案梳理總結

2022-06-23 14:03:00

前言

Redis作為一個高效能的記憶體中的key-value資料結構儲存系統，在我們日常開發中廣泛應用於快取、計數器、訊息佇列、排行榜等場景中，尤其是作為最常用的快取方式，在提高資料查詢效率、保護資料庫等方面起到了不可磨滅的作用，但實際應用中，可能會出現一些Redis快取異常的情況，本文主要對Redis快取異常及處理方案進行了總結。

一、背景

Redis是一個完全開源的、遵守BSD協定的、高效能的key-value資料結構儲存系統，它支援資料的持久化，可以將記憶體中的資料儲存在磁碟中，而且不僅僅支援簡單的key-value型別的資料，同時還提供list，set，zset，hash等資料結構的儲存，功能十分強大，Redis還支援資料的備份，即master-slave模式的資料備份，從而提高可用性。當然最重要的還是讀寫速度快，作為我們平常開發中最常用的快取方案被廣泛應用。但在實際應用過程中，它會存在快取雪崩、快取擊穿和快取穿透等異常情況，如果忽視這些情況可能會帶來災難性的後果，下面主要對這些快取異常和常見處理方案進行相應分析與總結。

二、快取雪崩

（一）是什麼

一段時間內本應在redis快取中處理的大量請求，都傳送到了資料庫進行處理，導致對資料庫的壓力迅速增大，嚴重時甚至可能導致資料庫崩潰，從而導致整個系統崩潰，就像雪崩一樣，引發連鎖效應，所以叫快取雪崩。

（二）為什麼

出現上述情況的常見原因主要有以下兩點：

大量快取資料同時過期，導致本應請求到快取的需重新從資料庫中獲取資料。
redis本身出現故障，無法處理請求，那自然會再請求到資料庫那裡。

（三）怎麼辦

針對大量快取資料同時過期的情況：

實際設定過期時間時，應當儘量避免大量key同時過期的場景，如果真的有，那就通過隨機、微調、均勻設定等方式設定過期時間，從而避免同一時間過期。
新增互斥鎖，使得構建快取的操作不會在同一時間進行。
雙key策略，主key是原始快取，備key為拷貝快取，主key失效時，可以存取備key，主key快取失效時間設定為短期，備key設定為長期。
後臺更新快取策略，採用定時任務或者訊息佇列的方式進行redis快取更新或移除等。

針對redis本身出現故障的情況：

在預防層面，可以通過主從節點的方式構建高可用的叢集，也就是實現主Redis範例掛掉後，能有其他從庫快速切換為主庫，繼續提供服務。
如果事情已經發生了，那就要為了防止資料庫被大量的請求搞崩潰，可以採用服務熔斷或者請求限流的方法。當然服務熔斷相對粗暴一些，停止服務直到redis服務恢復，請求限流相對溫和一些，保證一些請求可以處理，不是一刀切，不過還是看具體業務情況選擇合適的處理方案。

三、快取擊穿

（一）是什麼

快取擊穿一般出現在高並行系統中，是大量並行使用者同時請求到快取中沒有但資料庫中有的資料，也就是同時讀快取沒讀到資料，又同時去資料庫去取資料，引起資料庫壓力瞬間增大。和快取雪崩不同的是，快取擊穿指並行查同一條資料，快取雪崩是不同資料都過期了，很多資料都查不到從而查資料庫。

（二）為什麼

這種情況其實一般出現的原因就是某個熱點資料快取過期，由於是熱點資料，請求並行量又大，所以過期的時候還是會有大量請求同時過來，來不及更新快取就全部打到資料庫那邊了。

（三）怎麼辦

針對這種情況有兩種常見的處理方案：

簡單粗暴的對熱點資料不設定過期時間，這樣不會過期，自然也就不會出現上述情況了，如果後續想清理，可以通過後臺進行清理。
新增互斥鎖，即當過期之後，除了請求過來的第一個查詢的請求可以獲取到鎖請求到資料庫，並再次更新到快取中，其他的會被阻塞住，直到鎖被釋放，同時新的快取也被更新上去了，後續請求又會請求到快取上，這樣就不會出現快取擊穿了。

四、快取穿透

（一）是什麼

快取穿透是指資料既不在redis中，也不在資料庫中，這樣就導致每次請求過來的時候，在快取中找不到對應key之後，每次都還要去資料庫再查詢一遍，發現資料庫也沒有，相當於進行了兩次無用的查詢。這樣請求就可以繞過快取直接查資料庫，如果這個時候有人想惡意攻擊系統，就可以故意使用空值或者其他不存在的值進行頻繁請求，那麼就會對資料庫造成比較大的壓力。

（二）為什麼

這種現象的原因其實很好理解，業務邏輯裡面如果使用者對某些資訊還沒有進行相應的操作或者處理，那對應的存放資訊的資料庫或者快取中自然也就沒有相應的資料，也就容易出現上述問題。

（三）怎麼辦

針對快取穿透，一般有以下三種處理方案：

非法請求的限制，主要是指引數校驗、鑑權校驗等，從而一開始就把大量的非法請求攔截在外，這在實際業務開發中是必要的手段。
快取空值或者預設值，如果從快取取不到的資料，在資料庫中也沒有取到，那我們仍然把這個空結果進行快取，同時設定一個較短的過期時間。通過這個設定的預設值存放到快取，這樣第二次到快取中獲取就有值了，而不會繼續存取資料庫，可以防止有大量惡意請求是反覆用同一個key進行攻擊。
使用布隆過濾器快速判斷資料是否存在。那什麼是布隆過濾器呢，簡單來說，就是可以引入了多個相互獨立的雜湊函數，保證在給定的空間和誤判率下，完成元素判重。因為我們知道，存在hash碰撞這樣一種情況，那如果只使用一個hash函數，則碰撞衝突的概率明顯會變大，那為了減少這種衝突，我們可以多引入幾個hash函數，而布隆過濾器演演算法的核心思想就是利用多個不同的hash函數來解決這樣一種衝突。它的優點是空間效率高，查詢時間短，遠超其他演演算法，而它的缺點就是會存在一定的誤識別率，它不能完全保證請求過來的key，通過布隆過濾器的校驗，就一定有這個資料，畢竟理論上還是會存在衝突情況，無論概率多小。但是，只要沒有通過布隆過濾器的校驗，那麼這個key就一定不存在，只要利用這一點其實就已經可以過濾掉大部分不存在的key的請求了，在正常場景下已然足夠了。