文章來源于公眾號非科班的科班 ，作者非科班的科班
日常的開發(fā)中，無不都是使用數(shù)據(jù)庫來進行數(shù)據(jù)的存儲，由于一般的系統(tǒng)任務中通常不會存在高并發(fā)的情況，所以這樣看起來并沒有什么問題。
一旦涉及大數(shù)據(jù)量的需求，如一些商品搶購的情景，或者主頁訪問量瞬間較大的時候，單一使用數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)的系統(tǒng)會因為面向磁盤，磁盤讀/寫速度問題有嚴重的性能弊端，詳細的磁盤讀寫原理請參考這一片[]。
在這一瞬間成千上萬的請求到來，需要系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)完成成千上萬次的讀/寫操作，這個時候往往不是數(shù)據(jù)庫能夠承受的，極其容易造成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)癱瘓，最終導致服務宕機的嚴重生產(chǎn)問題。
為了克服上述的問題，項目通常會引入NoSQL技術，這是一種基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫，并且提供一定的持久化功能。
Redis技術就是NoSQL技術中的一種。Redis緩存的使用，極大的提升了應用程序的性能和效率，特別是數(shù)據(jù)查詢方面。
但同時，它也帶來了一些問題。其中，最要害的問題，就是數(shù)據(jù)的一致性問題，從嚴格意義上講，這個問題無解。如果對數(shù)據(jù)的一致性要求很高，那么就不能使用緩存。
另外的一些典型問題就是，緩存穿透、緩存擊穿和緩存雪崩。本篇文章從實際代碼操作，來提出解決這三個緩存問題的方案，畢竟Redis的緩存問題是實際面試中高頻問點，理論和實操要兼得。
緩存穿透
緩存穿透是指查詢一條數(shù)據(jù)庫和緩存都沒有的一條數(shù)據(jù)，就會一直查詢數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的訪問壓力就會增大，緩存穿透的解決方案，有以下兩種：
緩存空對象：代碼維護較簡單，但是效果不好。
布隆過濾器：代碼維護復雜，效果很好。
緩存空對象
緩存空對象是指當一個請求過來緩存中和數(shù)據(jù)庫中都不存在該請求的數(shù)據(jù)，第一次請求就會跳過緩存進行數(shù)據(jù)庫的訪問，并且訪問數(shù)據(jù)庫后返回為空，此時也將該空對象進行緩存。
若是再次進行訪問該空對象的時候，就會直接擊中緩存，而不是再次數(shù)據(jù)庫，緩存空對象實現(xiàn)的原理圖如下：
緩存空對象的實現(xiàn)代碼如下：
public class UserServiceImpl {
@Autowired
UserDAO userDAO;
@Autowired
RedisCache redisCache;
public User findUser(Integer id) {
Object object = redisCache.get(Integer.toString(id));
// 緩存中存在，直接返回
if(object != null) {
// 檢驗該對象是否為緩存空對象，是則直接返回null
if(object instanceof NullValueResultDO) {
return null;
}
return (User)object;
} else {
// 緩存中不存在，查詢數(shù)據(jù)庫
User user = userDAO.getUser(id);
// 存入緩存
if(user != null) {
redisCache.put(Integer.toString(id),user);
} else {
// 將空對象存進緩存
redisCache.put(Integer.toString(id), new NullValueResultDO());
}
return user;
}
}
}
緩存空對象的實現(xiàn)代碼很簡單，但是緩存空對象會帶來比較大的問題，就是緩存中會存在很多空對象，占用內(nèi)存的空間，浪費資源，一個解決的辦法就是設置空對象的較短的過期時間，代碼如下：
// 在緩存的時候，添加多一個該空對象的過期時間60秒
redisCache.put(Integer.toString(id), new NullValueResultDO(),60);
布隆過濾器
布隆過濾器是一種基于概率的數(shù)據(jù)結構，主要用來判斷某個元素是否在集合內(nèi)，它具有運行速度快（時間效率），占用內(nèi)存小的優(yōu)點（空間效率），但是有一定的誤識別率和刪除困難的問題。它只能告訴你某個元素一定不在集合內(nèi)或可能在集合內(nèi)。
在計算機科學中有一種思想：空間換時間，時間換空間。一般兩者是不可兼得，而布隆過濾器運行效率和空間大小都兼得，它是怎么做到的呢？
在布隆過濾器中引用了一個誤判率的概念，即它可能會把不屬于這個集合的元素認為可能屬于這個集合，但是不會把屬于這個集合的認為不屬于這個集合，布隆過濾器的特點如下：
一個非常大的二進制位數(shù)組 （數(shù)組里只有0和1）
若干個哈希函數(shù)
空間效率和查詢效率高
不存在漏報（False Negative）：某個元素在某個集合中，肯定能報出來。
可能存在誤報（False Positive）：某個元素不在某個集合中，可能也被爆出來。
不提供刪除方法，代碼維護困難。
位數(shù)組初始化都為0，它不存元素的具體值，當元素經(jīng)過哈希函數(shù)哈希后的值（也就是數(shù)組下標）對應的數(shù)組位置值改為1。
實際布隆過濾器存儲數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)的原理圖如下：
可能很多讀者看完上面的特點和原理圖，還是看不懂，別急下面通過圖解一步一步的講解布隆過濾器，總而言之一句簡單的話概括就是布隆過濾器是一個很大二進制的位數(shù)組，數(shù)組里面只存0和1。
初始化的布隆過濾器的結構圖如下：
以上只是畫了布隆過濾器的很小很小的一部分，實際布隆過濾器是非常大的數(shù)組（這里的大是指它的長度大，并不是指它所占的內(nèi)存空間大）。
那么一個數(shù)據(jù)是怎么存進布隆過濾器的呢？
當一個數(shù)據(jù)進行存入布隆過濾器的時候，會經(jīng)過如干個哈希函數(shù)進行哈希（若是對哈希函數(shù)還不懂的請參考這一片[]），得到對應的哈希值作為數(shù)組的下標，然后將初始化的位數(shù)組對應的下標的值修改為1，結果圖如下：
當再次進行存入第二個值的時候，修改后的結果的原理圖如下：
所以每次存入一個數(shù)據(jù)，就會哈希函數(shù)的計算，計算的結果就會作為下標，在布隆過濾器中有多少個哈希函數(shù)就會計算出多少個下標，布隆過濾器插入的流程如下：
將要添加的元素給m個哈希函數(shù)
得到對應于位數(shù)組上的m個位置
將這m個位置設為1
那么為什么會有誤判率呢？
假設在我們多次存入值后，在布隆過濾器中存在x、y、z這三個值，布隆過濾器的存儲結構圖如下所示：
當我們要查詢的時候，比如查詢a這個數(shù)，實際中a這個數(shù)是不存在布隆過濾器中的，經(jīng)過2個哈希函數(shù)計算后得到a的哈希值分別為2和13，結構原理圖如下：
經(jīng)過查詢后，發(fā)現(xiàn)2和13位置所存儲的值都為1，但是2和13的下標分別是x和z經(jīng)過計算后的下標位置的修改，該布隆過濾器中實際不存在a，那么布隆過濾器就會誤判改值可能存在，因為布隆過濾器不存元素值，所以存在誤判率。
那么具體布隆過布隆過濾的判斷的準確率和一下兩個因素有關：
布隆過濾器大小：越大，誤判率就越小，所以說布隆過濾器一般長度都是非常大的。
哈希函數(shù)的個數(shù)：哈希函數(shù)的個數(shù)越多，那么誤判率就越小。
那么為什么不能刪除元素呢？
原因很簡單，因為刪除元素后，將對應元素的下標設置為零，可能別的元素的下標也引用改下標，這樣別的元素的判斷就會收到影響，原理圖如下：
當你刪除z元素之后，將對應的下標10和13設置為0，這樣導致x和y元素的下標受到影響，導致數(shù)據(jù)的判斷不準確，所以直接不提供刪除元素的api。
以上說的都是布隆過濾器的原理，只有理解了原理，在實際的運用才能如魚得水，下面就來實操代碼，手寫一個簡單的布隆過濾器。
對于要手寫一個布隆過濾器，首先要明確布隆過濾器的核心：
若干哈希函數(shù)
存值的Api
判斷值得Api
實現(xiàn)的代碼如下：
public class MyBloomFilter {
// 布隆過濾器長度
private static final int SIZE = 2 << 10;
// 模擬實現(xiàn)不同的哈希函數(shù)
private static final int[] num= new int[] {5, 19, 23, 31,47, 71};
// 初始化位數(shù)組
private BitSet bits = new BitSet(SIZE);
// 用于存儲哈希函數(shù)
private MyHash[] function = new MyHash[num.length];
// 初始化哈希函數(shù)
public MyBloomFilter() {
for (int i = 0; i < num.length; i++) {
function [i] = new MyHash(SIZE, num[i]);
}
}
// 存值Api
public void add(String value) {
// 對存入得值進行哈希計算
for (MyHash f: function) {
// 將為數(shù)組對應的哈希下標得位置得值改為1
bits.set(f.hash(value), true);
}
}
// 判斷是否存在該值得Api
public boolean contains(String value) {
if (value == null) {
return false;
}
boolean result= true;
for (MyHash f : func) {
result= result&& bits.get(f.hash(value));
}
return result;
}
}
哈希函數(shù)代碼如下：
public static class MyHash {
private int cap;
private int seed;
// 初始化數(shù)據(jù)
public MyHash(int cap, int seed) {
this.cap = cap;
this.seed = seed;
}
// 哈希函數(shù)
public int hash(String value) {
int result = 0;
int len = value.length();
for (int i = 0; i < len; i++) {
result = seed * result + value.charAt(i);
}
return (cap - 1) & result;
}
}
布隆過濾器測試代碼如下：
public static void test {
String value = "4243212355312";
MyBloomFilter filter = new MyBloomFilter();
System.out.println(filter.contains(value));
filter.add(value);
System.out.println(filter.contains(value));
}
以上就是手寫了一個非常簡單的布隆過濾器，但是實際項目中可能由牛人或者大公司已經(jīng)幫你寫好的，如谷歌的Google Guava，只需要在項目中引入一下依賴：
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>27.0.1-jre</version>
</dependency>
實際項目中具體的操作代碼如下：
public static void MyBloomFilterSysConfig {
@Autowired
OrderMapper orderMapper
// 1.創(chuàng)建布隆過濾器 第二個參數(shù)為預期數(shù)據(jù)量10000000，第三個參數(shù)為錯誤率0.00001
BloomFilter<CharSequence> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charset.forName("utf-8")),10000000, 0.00001);
// 2.獲取所有的訂單，并將訂單的id放進布隆過濾器里面
List<Order> orderList = orderMapper.findAll()
for (Order order;orderList ) {
Long id = order.getId();
bloomFilter.put("" + id);
}
}
在實際項目中會啟動一個系統(tǒng)任務或者定時任務，來初始化布隆過濾器，將熱點查詢數(shù)據(jù)的id放進布隆過濾器里面，當用戶再次請求的時候，使用布隆過濾器進行判斷，改訂單的id是否在布隆過濾器中存在，不存在直接返回null，具體操作代碼：
// 判斷訂單id是否在布隆過濾器中存在
bloomFilter.mightContain("" + id)
布隆過濾器的缺點就是要維持容器中的數(shù)據(jù)，因為訂單數(shù)據(jù)肯定是頻繁變化的，實時的要更新布隆過濾器中的數(shù)據(jù)為最新。
緩存擊穿
緩存擊穿是指一個key非常熱點，在不停的扛著大并發(fā)，大并發(fā)集中對這一個點進行訪問，當這個key在失效的瞬間，持續(xù)的大并發(fā)就穿破緩存，直接請求數(shù)據(jù)庫，瞬間對數(shù)據(jù)庫的訪問壓力增大。
緩存擊穿這里強調(diào)的是并發(fā)，造成緩存擊穿的原因有以下兩個：
該數(shù)據(jù)沒有人查詢過 ，第一次就大并發(fā)的訪問。（冷門數(shù)據(jù)）
添加到了緩存，reids有設置數(shù)據(jù)失效的時間 ，這條數(shù)據(jù)剛好失效，大并發(fā)訪問（熱點數(shù)據(jù)）
對于緩存擊穿的解決方案就是加鎖，具體實現(xiàn)的原理圖如下：
當用戶出現(xiàn)大并發(fā)訪問的時候，在查詢緩存的時候和查詢數(shù)據(jù)庫的過程加鎖，只能第一個進來的請求進行執(zhí)行，當?shù)谝粋€請求把該數(shù)據(jù)放進緩存中，接下來的訪問就會直接集中緩存，防止了緩存擊穿。
業(yè)界比價普遍的一種做法，即根據(jù)key獲取value值為空時，鎖上，從數(shù)據(jù)庫中load數(shù)據(jù)后再釋放鎖。若其它線程獲取鎖失敗，則等待一段時間后重試。這里要注意，分布式環(huán)境中要使用分布式鎖，單機的話用普通的鎖（synchronized、Lock）就夠了。
下面以一個獲取商品庫存的案例進行代碼的演示，單機版的鎖實現(xiàn)具體實現(xiàn)的代碼如下：
// 獲取庫存數(shù)量
public String getProduceNum(String key) {
try {
synchronized (this) { //加鎖
// 緩存中取數(shù)據(jù)，并存入緩存中
int num= Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(key));
if (num> 0) {
//沒查一次庫存-1
redisTemplate.opsForValue().set(key, (num- 1) + "");
System.out.println("剩余的庫存為num：" + (num- 1));
} else {
System.out.println("庫存為0");
}
}
} catch (NumberFormatException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
}
return "OK";
}
分布式的鎖實現(xiàn)具體實現(xiàn)的代碼如下：
public String getProduceNum(String key) {
// 獲取分布式鎖
RLock lock = redissonClient.getLock(key);
try {
// 獲取庫存數(shù)
int num= Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(key));
// 上鎖
lock.lock();
if (num> 0) {
//減少庫存，并存入緩存中
redisTemplate.opsForValue().set(key, (num - 1) + "");
System.out.println("剩余庫存為num：" + (num- 1));
} else {
System.out.println("庫存已經(jīng)為0");
}
} catch (NumberFormatException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//解鎖
lock.unlock();
}
return "OK";
}
緩存雪崩
緩存雪崩 是指在某一個時間段，緩存集中過期失效。此刻無數(shù)的請求直接繞開緩存，直接請求數(shù)據(jù)庫。
造成緩存雪崩的原因，有以下兩種：
reids宕機
大部分數(shù)據(jù)失效
比如天貓雙11，馬上就要到雙11零點，很快就會迎來一波搶購，這波商品在23點集中的放入了緩存，假設緩存一個小時，那么到了凌晨24點的時候，這批商品的緩存就都過期了。
而對這批商品的訪問查詢，都落到了數(shù)據(jù)庫上，對于數(shù)據(jù)庫而言，就會產(chǎn)生周期性的壓力波峰，對數(shù)據(jù)庫造成壓力，甚至壓垮數(shù)據(jù)庫。
緩存雪崩的原理圖如下，當正常的情況下，key沒有大量失效的用戶訪問原理圖如下：
當某一時間點，key大量失效，造成的緩存雪崩的原理圖如下：
對于緩存雪崩的解決方案有以下兩種：
搭建高可用的集群，防止單機的redis宕機。
設置不同的過期時間，防止同一時間內(nèi)大量的key失效。
針對業(yè)務系統(tǒng)，永遠都是具體情況具體分析，沒有最好，只有最合適。于緩存其它問題，緩存滿了和數(shù)據(jù)丟失等問題，我們后面繼續(xù)深入的學習。最后也提一下三個詞LRU、RDB、AOF，通常我們采用LRU策略處理溢出，Redis的RDB和AOF持久化策略來保證一定情況下的數(shù)據(jù)安全。
