Redis第12讲——缓存的三种设计模式

缓存的使用在项目中是极其常见的，如果使用得当，缓存可谓时提升系统性能的最简单方法之一，反之则会出现一些莫名其妙的问题，在不同场景下，所使用的缓存策略也是有所变化的，下面我们就介绍一下三种常见的缓存设计模式——Cache Aside Pattern（重点）、Read/Write Through Pattern、Write Behind Caching Pattern。

一、Cache Aside Pattern

先看一下我们最经常使用的查询缓存流程：查询请求过来先去读缓存，缓存命中则直接返回，如果未命中就去查数据库，有数据则写入缓存并返回结果，没数据也直接返回，如下图：

这个缓存查询流程大家都不陌生，这应该是使用最为广泛的流程，但大部分人可能不知道，这个流程有一个名字：Cache Aside Pattern（旁路缓存模式），这是缓存设计模式的一种，也是Facebook比较推崇的一种模式，上面是该模式的查询流程，而更新流程如下：

ps：到此为止就是Cache Aside Pattern的全部内容了，由于此模式比较重要，下面我们将对其进行延申。

这个大家应该也并不陌生，更新完数据库后再把缓存给删了，下次再有查询请求过来时，就会先从数据库查询出更新后的数据再写入缓存，乍一看这个流程似乎很“完美”，但还有几个点需要我们思考一下：

为什么是先更新数据库再操作缓存，它俩能对调一下吗？
为什么是删除缓存而不是更新缓存？
读写、写写并发下会有什么问题？

1.1 删除缓存VS更新缓存

为了保证数据库和缓存的一致性，很多人会在做数据更新的时候，顺便会把缓存也一并更新了，虽然这是我们正常的思维，但是我要说的是删除缓存要优于更新缓存。

1.1.1 缓存的数据

我们先抛开并发问题，单从缓存的数据方面看。缓存中的数据大部分情况下可能不只是一个简单的字符串，可能是一个大JSON串。比如我们需要通过缓存进行扣减库存的时候，可能需要从缓存中查出整个订单模型数据，把它反序列化之后，再解析其中库存的字段，修改后再序列化放进缓存中。

可以看到相比于直接删除缓存，更新缓存更为复杂，也较容易出错。下面我们再来看看这两种操作在并发情况下的表现。

1.1.2 写写并发

在"写写并发"下，如果同时更新缓存和数据库，那么就会很容易出现并发问题导致数据不一致的情况。

先写数据库，再更新缓存：

先更新缓存，再写数据库：

可以看到，如果是更新缓存的话，无论是先操作数据库还是先操作缓存，都会出现数据不一致的情况（标红的地方）。但如果是直接删除缓存的话，就不会出现数据不一致的情况。

但它有个小缺点，就是会带来一次额外的cache miss，也就是说删除缓存后的下一次查询无法命中缓存，需要再查一下数据库。

ps：如果同一个key有大量的请求过来，在某种程度上可能会导致缓存击穿，不过可以通过加锁来解决。

所以，删除缓存相较于更新缓存，方案更简单，一致性问题也更少，建议大家优先选择删除缓存。

1.2 先写数据库VS先删缓存

在确定了优先选择删除缓存后，那么先写数据库还是先删缓存呢，下面一起来看看。

1.2.1 先写数据库

在读写并发下：

正常情况下，脏数据时间范围：更新数据库后，删除缓存前。这个时间范围很小，通常不会超过几毫秒。

异常情况下，如果缓存删除失败，会导致数据库中的数据已经更新，而缓存还是旧数据，从而导致数据不一致，但这种情况除非是网络问题或者缓存服务器宕机，否则大部分情况下还是会成功的。

1.2.2 先删除缓存

首先，如果是先删除缓存，那么第二步写数据库失败是可以接收的，因为这样不会有脏数据。

但是，先删除缓存再更新数据库，会放大"读写并发"导致的数据不一致问题。我们知道查询缓存的流程是这样的：

查询缓存，命中则直接返回。
查询数据库。
把数据库的值更新进缓存。

对于一个读线程来说，虽然不会写数据库，但是会写缓存。如下图：

脏数据时间范围：更新数据库后，下一次对该数据更新前。这个时间范围不确定性很大：

如果下一次数据更新马上来，那么会失效缓存，脏数据时间就很短。
如果下一次数据更新很久才到，那么这期间保存的都是脏数据。

通过上述两个方案的比较可以看出，先操作数据库和先操作缓存都会存在脏数据的情况。但相比之下，先操作数据库再操作缓存时更优的方式，即使再并发的情况下，也只会出现很小量的脏数据。

ps：由于篇幅原因，缓存和数据库一致性的解决方案下篇文章再介绍。

二、Read/Write Through Pattern

在Cache Aside中，应用层需要和缓存和数据库两个数据源打交道，这增加了应用层的复杂度，而Read/Write Through Pattern就是来解决这个问题的，在这两种模式下，应用层只需要将缓存作为主要数据源，不需要感知数据库，更新和读取的任务都交给缓存来代理。

2.1 Read Through Pattern

在Read Though模式下，是由缓存配置一个读模块，应用层查询数据时，当缓存未命中时，由缓存去查询数据库，并且将结果写入缓存中，最后返回结果给应用层：

在上述流程图中，红色框内的操作不再由应用层来处理，而是由缓存自己处理。

2.2 Write Though Pattern

在Write Though模式下，是由缓存配置一个写模块，应用层更新数据时，由缓存去更新数据库。同时，当缓存命中时，写缓存和写数据库这两个操作在一个事务中完成，保证同时成功：

当使用Write Though时，一般都配合使用Read Though来使用。Write Though适用的场景有：

需要频繁读取相同数据。
不能忍受丢失数据（相对于Write Behind而言）和数据不一致。

在使用Write-Through时要特别注意的是缓存的有效性管理，否则会导致大量的缓存占用内存资源。甚至有效的缓存数据被无效的缓存数据给清除掉。

三、Write Behind Caching Pattern

Write Behind又称为Write Back，从应用层视角来看和Write Through类似，在该模式下，应用层也只需和缓存一个数据源打交道，不同的是Write Through会立即把数据写入数据库，而Write Behind会在一段时间之后（或者被其它方式触发）把数据批量写入数据库，这个异步写操作是Write Behind的最大特点。

这样做的优点是：