解决Redis缓存雪崩、穿透、并发、预热、击穿、热点Key等问题

一、缓存雪崩

数据未加载到缓存中，或者缓存同一时间大面积的失效，从而导致所有请求都去查数据库，导致数据库CPU和内存负载过高，甚至宕机。

比如一个雪崩的简单过程：

1、redis集群大面积故障

2、缓存失效，但依然大量请求访问缓存服务redis

3、redis大量失效后，大量请求转向到mysql数据库

4、mysql的调用量暴增，很快就扛不住了，甚至直接宕机

5、由于大量的应用服务依赖mysql和redis的服务，这个时候很快会演变成各服务器集群的雪崩，最后网站彻底崩溃。

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如何预防缓存雪崩：

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1.缓存的高可用性

缓存层设计成高可用，防止缓存大面积故障。即使个别节点、个别机器、甚至是机房宕掉，依然可以提供服务，例如 Redis Sentinel 和 Redis Cluster 都实现了高可用。

2.缓存降级

可以利用ehcache等本地缓存(暂时支持)，但主要还是对源服务访问进行限流、资源隔离（熔断）、降级等。

当访问量剧增、服务出现问题仍然需要保证服务还是可用的。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，这里会涉及到运维的配合。

降级的最终目的是保证核心服务可用，即使是有损的。

比如推荐服务中，很多都是个性化的需求，假如个性化需求不能提供服务了，可以降级补充热点数据，不至于造成前端页面是个大空白。

在进行降级之前要对系统进行梳理，比如：哪些业务是核心(必须保证)，哪些业务可以容许暂时不提供服务(利用静态页面替换)等，以及配合服务器核心指标，来后设置整体预案，比如：

（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。

3.Redis备份和快速预热

1)Redis数据备份和恢复

2)快速缓存预热

4.提前演练

最后，建议还是在项目上线前，演练缓存层宕掉后，应用以及后端的负载情况以及可能出现的问题，对高可用提前预演，提前发现问题。

二、缓存穿透

缓存穿透是指查询一个一不存在的数据。例如：从缓存redis没有命中，需要从mysql数据库查询，查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询，造成缓存穿透。

解决思路：

如果查询数据库也为空，直接设置一个默认值存放到缓存，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。设置一个过期时间或者当有值的时候将缓存中的值替换掉即可。
可以给key设置一些格式规则，然后查询之前先过滤掉不符合规则的Key。

三、缓存并发

其实redis自身就是单线程操作，redis本身并没有锁的概念，按照先到先执行的原则，先到的先执行，其余的阻塞。但是利用predis phpredis等客户端对Redis进行并发访问时会出现问题。典型的例子就是库存超卖，解决方案有以下俩种

这里可以使用redis的分布式锁可以解决并发问题。如命令set k v px ms nx，该命令在k不存在时才赋值k。也就是说如果返回true，则代表获取锁成功，如果返回false则代表已有资源获取锁，此时需要轮训，处于阻塞状态。
可以将redis操作放在队列中使其串行化，必须的一个一个执行，如果放到队列进行串行化的话，效率会急剧下降。
使用锁机制（缓存服务器集群环境下，使用分布式锁），在缓存更新或者过期的情况下，先尝试获取到锁，当更新或者从数据库获取完成后再释放锁，其他的请求只需要牺牲一定的等待时间，即可直接从缓存中继续获取数据，效率较高。可在缓存更新方法上加上sychronized修饰。

四、缓存预热

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；

目的就是在系统上线前，将数据加载到缓存中。

以上就是缓存雪崩、预热、降级等的介绍。

五、缓存击穿

定义：在高并发情况下查询key，但是key失效，这时候大量的key直接打到DB上，请求过多压力大导致宕机

方案0：多线程进行查询，可以给第一个请求加互斥锁然后其他请求排队等待

方案一

　　后台定义一个job(定时任务)专门主动更新缓存数据.比如,一个缓存中的数据过期时间是30分钟,那么job每隔29分钟定时刷新数据(将从数据库中查到的数据更新到缓存中).

这种方案比较容易理解，但会增加系统复杂度。比较适合那些 key 相对固定,cache 粒度较大的业务，key 比较分散的则不太适合，实现起来也比较复杂。

方案二

　　　　将缓存key的过期时间(绝对时间)一起保存到缓存中(可以拼接,可以添加新字段,可以采用单独的key保存..不管用什么方式,只要两者建立好关联关系就行).在每次执行get操作后,都将get出来的缓存过期时间与当前系统时间做一个对比,如果缓存过期时间-当前系统时间<=1分钟(自定义的一个值),则主动更新缓存.这样就能保证缓存中的数据始终是最新的(和方案一一样,让数据不过期.)

这种方案在特殊情况下也会有问题。假设缓存过期时间是12:00，而 11:59 到 12:00这 1 分钟时间里恰好没有 get 请求过来，又恰好请求都在 11:30 分的时候高并发过来，那就悲剧了。这种情况比较极端，但并不是没有可能。因为“高
并发”也可能是阶段性在某个时间点爆发。

方案三

　　采用 L1 (一级缓存)和 L2(二级缓存) 缓存方式，L1 缓存失效时间短，L2 缓存失效时间长。请求优先从 L1 缓存获取数据，如果 L1缓存未命中则加锁，只有 1 个线程获取到锁,这个线程再从数据库中读取数据并将数据再更新到到 L1 缓存和 L2 缓存中，而其他线程依旧从 L2 缓存获取数据并返回。

这种方式，主要是通过避免缓存同时失效并结合锁机制实现。所以，当数据更新时，只能淘汰 L1 缓存，不能同时将 L1 和 L2 中的缓存同时淘汰。L2 缓存中可能会存在脏数据，需要业务能够容忍这种短时间的不一致。而且，这种方案可能会造成额外的缓存空间浪费。

六、热点Key

缓存中的某些Key(可能对应用与某个促销商品)对应的value存储在集群中一台机器，使得所有流量涌向同一机器，成为系统的瓶颈，该问题的挑战在于它无法通过增加机器容量来解决。

解决方案

客户端热点key缓存：将热点key对应value并缓存在客户端本地，并且设置一个失效时间。对于每次读请求，将首先检查key是否存在于本地缓存中，如果存在则直接返回，如果不存在再去访问分布式缓存的机器。
服务端负载均衡：将热点key复制多个副本，然后存储到缓存集群的不同机器上。当通过热点key去查询数据时，通过某种hash算法随机选择一个副本机器访问缓存，将热点分散到了不同机器上。