一、MySQL缓存方案的作用

首先。我们进行一些具体的场景分析：

1）业务场景中，读的需求远远大于写的需求，因此应当主要关注如何提高读的性能。对于写没必要优化，但必须保证让数据正确的落盘。

2）另外，内存访问速度是磁盘访问速度的10万倍，访问磁盘的速度比较慢，因此尽量使得数据是从内存中获取。

3）项目中需要存储的数据应该远大于内存的容量，同时需要进行数据统计分析，所以数据存储获取的依据应该是关系型数据库，如MySQL 数据主要存储在磁盘当中。

4）MySQL自身缓冲层跟业务无关，这是由于 MySQL的缓冲层不由用户来控制，也就是不能由用户来控制缓存具体数据。MySQL的缓冲策略主要是 LRU。因此引入缓冲层，即需要一个缓存数据库，可以存储用户自定义的热点数据。如redis、memcached。

综合以上几点，MySQL缓存方案是：所有数据存放在主数据库，缓存数据库作为辅助数据库存放自定义的热点数据。这样用户可以直接从缓存获取热点数据，降低主数据库的读压力。

接下来，我们介绍几种提高MySQL访问性能的方式。

二、提高MySQL访问性能的方式

2.1 读写分离

2.1.1 是什么？

读写分离会设置多个从数据库，写操作依然在主数据库，而读操作在从数据库。

需要注意的是，从数据库可能会在多个机器中，主数据库是提供数据的主要依据。如果读操作有强一致性要求，那么还是需要去读主数据库。

2.1.2 解决了什么？

读写分离提高设置多个从数据库来解决主数据库的读压力。

2.1.3 原理是什么？

读写分离主要依据MySQL的主从复制原理，因为MySQL的主从复制是异步复制的，所以读写分离只能保证数据的最终一致性，不能保证实时一致性。如果读操作有强一致性要求，那么需要读操作去读主数据库。

MySQL主从复制

主从复制流程：

1. 主库更新事件 ( update 、 insert 、 delete ) 通过 io-thread写到 binlog；
2. 从库请求读取 binlog，通过 io-thread 写入从库本地 relay-log（中继日志）；
3. 从库通过 sql-thread 读取 relay-log，并把更新事件在从库中重放（replay）一遍；
   

2.2 连接池

2.1.1 是什么？

连接池是在服务端当中创建多个与数据库的连接。参考Linux组件之数据库连接池

2.1.2 解决了什么？

数据库连接池并发提升了数据库的访问性能。同时复用连接，避免连接建立、断开、以及安全验证带来的额外开销。

2.1.3 原理是什么？

MySQL网络模型（select + 阻塞IO模型）

特别的，如果发送一个事务（多个sql语句），那么这个事务必须在一个连接中执行。

2.3 异步连接

2.1.1 是什么？

异步连接是在服务端创建一个连接，针对这个连接采用非阻塞IO

2.1.2 解决了什么？

异步连接节省了网络传输时间。

2.1.3 原理是什么？

使用了非阻塞IO

三、缓存方案

3.1 缓存和MySQL一致性状态分析

引入缓冲层后，我们对数据的获取需要分别操作缓存数据库和MySQL；那么这个时候数据可能存在几个状态：

1. MySQL有，缓存无
2. MySQL无，缓存有
3. 都有，但数据不一致
4. 都有，数据一致
5. 都没有

对于以上的几种情况：

• 4 和 5显然是没问题的
• 低于1，我们获取数据的主要依据是 mysql，只需要将mysql 的数据正确同步到缓存数据库就可以了。
• 对于2，缓存有，mysql 没有，这比较危险，此时我们可以认为该数据为脏数据。需要在同步策略中避免该情况发生。
• 对于3，mysql 和缓存都有数据，但是数据不一致。这是mysql 同步到 redis 是异步复制，短时间内会出现数据不一致。这种也需要在同步策略中避免。

需要注意的是：缓存不可用，整个系统依然要保持正常工作；mysql 不可用的话，系统停摆，停止对外提供服务；

3.2 读写策略解决数据同步问题

3.2.1 读策略

准确来说，是热点数据读缓存，非热点数据直接读主数据库。

先读缓存
1）若缓存存在，直接返回；
2）若缓存不存在，再访问mysql
$\circ$ 若 mysql 没有，则返回没有
$\circ$ 若 mysql 有，同步数据到redis

3.2.1 写策略

写策略分两种：以安全为主、以效率为主。

1、以安全为主的写策略
先删除redis当中的数据，然后再写MySQL，最后将MySQL数据同步到redis中（交由 go-
mysql-transfer 等中间件处理）。这种策略将状态 3 转化成状态 1；

为什么先删除redis数据？
先删除缓存，是为了避免其他服务读取旧的数据；也是告知系统这个数据已经不是最新，建议从 mysql 获取数据。

存在的问题：
为了安全降低效率，不断删除缓存，使得设置缓存没有了意义。

2、以效率为主的写策略
先写缓存并设置过期时间（如 200ms），再写MySQL，等待MySQL同步到redis中（交由中间件处理）。

这里设置的过期时间是预估时间，大致上是 ：
与MySQL网络传输时间 + MySQL处理时间 + MySQL同步到redis的时间

存在的问题：
在过期时间内，如200ms，如果写的过程中 mysql 停止服务，或数据没写入 mysql，则200 ms 内提供了脏数据服务；但仅仅只有 200ms 的数据错乱。

3.3 同步方案

同步方案主要解决如何将 Mysql 数据同步到 redis 中。主要有两种方法：
1）伪装从数据库。比如阿里 canal，go-mysql-transfer 等。
2）触发器 + udf：把热点数据表设置触发器，在触发器中调用 udf，udf 与 redis 建立连接，进行数据同步。udf全称User-defined function，是MySQL提供的一种可扩展代码。UDF不具备事务，不能回滚。总体而言这种方法效率较低，不建议。

3.3 伪装从数据库
3.3.1 阿里canal
Canal可以实时捕获MySQL等数据库中的数据变更，并将这些变更事件传递给redis等缓存数据库，实现数据的实时同步和复制。并且canal会考虑分布式问题，如果一个canal宕机了，会有从canal顶替上来，保证服务正常提供。

3.3.2 go-mysql-transfer
go-mysql-transfer是一个基于Go语言开发的数据库变更数据传输工具，它可以实时捕获MySQL数据库中的数据变更，并将变更事件传输到给redis等缓存数据库。go-mysql-transfer只有一个节点，相对canal简单些，没有解决分布式问题。

缺点是需要引入etcd、zk等实现高可用。

go-mysql-transfer的项目地址、go-mysql-transfer产品手册

具体流程是：
1）安装 go-mysql-transfer

# 安装 Golang 1.14 及以上版本
wget https://golang.google.cn/dl/go1.17.8.linux-amd64.tar.gz
tar -zxvf go1.17.8.linux-amd64.tar.gz
# 配置
vim /etc/profile
export PATH=$PATH:/opt/go/bin  # 配置 go 环境变量

# 安装 go-mysql-transfer
git clone https://gitee.com/mirrors/go-mysql-transfer.git
GO111MODULE=on
go env -w GOPROXY=https://goproxy.cn,direct
go build

2）修改 mysql 配置文件为主从模式，位置：/etc/mysql/my.cnf

log-bin=mysql-bin # 开启 binlog
binlog-format=ROW # 选择 ROW 模式
server_id=1 # 配置 MySQL replaction 需要定义，不要和slave_id重复

3）修改 app.yml，配置 mysql 和 redis，配置热点数据

# mysql配置
addr: 127.0.0.1:3306
user: root
pass: 123456
charset : utf8
slave_id: 1001 #slave ID

# redis连接配置
redis_addrs: 127.0.0.1:6379 # redis地址，多个用逗号分隔
redis_pass: 123456 # redis密码

# 配置热点数据
schema: mark # 数据库名称
table: t_user # 表名称
order_by_column: id #排序字段，存量数据同步时不能为空
column_underscore_to_camel: true # 列名称下划线转驼峰,默认为false
lua_file_path: lua/t_user.lua   # lua脚本文件位置
# redis相关    
redis_structure: hash # 数据类型。

4）编写 Lua 同步逻辑

local ops = require("redisOps") --加载redis操作模块

local row = ops.rawRow()  --当前数据库的一行数据,table类型，key为列名称
local action = ops.rawAction()  --当前数据库事件,包括：insert、update、delete

-- 同步方法
if action == "insert" or action == "update" then -- 只监听insert事件
    local id = row["id"] --获取ID列的值
    local key = "user:" .. id
    local name = row["nick"] --获取USER_NAME列的值
    local sex = row["sex"]
    local height = row["height"] --获取PASSWORD列的值
    local age = row["age"]
    ops.HSET(key, "id", id) -- 对应Redis的HSET命令
    ops.HSET(key, "nick", name) -- 对应Redis的HSET命令
    ops.HSET(key, "sex", sex) -- 对应Redis的HSET命令
    ops.HSET(key, "height", height) -- 对应Redis的HSET命令
    ops.HSET(key, "age", age) -- 对应Redis的HSET命令
elseif action == "delete" then
    local id = row['id']
    local key = "user:" .. id
    ops.DEL(key)
end

5）启动 mysql, redis, go-mysql-transfer

# 全量数据同步，初次启动
./go-mysql-transfer -stock
# 启动
nohup go-mysql-transfer &

四、缓存故障及解决

4.1 缓存穿透

如果某个数据在redis缓存和MySQL中都不存在，但此时一直尝试读这个不存在的数据，最后数据压力堆积在MySQL，可能会造成MySQL崩溃。

例如恶意攻击者可以通过构造大量不存在的查询请求来压垮数据库。

解决办法：
1）缓存设置<key,nil>：当发现MySQL不存在某个数据，将redis中对应的key设置为<key,nil>并设置过期时间。通过这样的标识，使得下次访问key的时候不要再去访问MySQL，并且到期自动删除这个key。但是这种方法会造成redis缓存数据库缓存很多无效数据，浪费内存。

2）部署布隆过滤器：将 MySQL当中已经存在的 key，写入布隆过滤器，不存在的直接 pass 掉。即使发生了缓存穿透，通过布隆过滤器在缓存层拦截无效的请求，避免无效查询到达MySQL。最好在缓存数据库上部署布隆过滤器。

4.2 缓存击穿

如果某个频繁访问的热点数据在redis缓存不存在（过期或被淘汰），但在MySQL中存在。此时有大量的并发连接请求该热点数据，会直接访问数据库，导致MySQL数据库压力骤增，可能造成MySQL数据库崩溃

解决办法：
1）过热数据不过期，即不要对频繁访问的热点数据设置过期时间。

2）使用分布式锁机制，保证只有一个请求能够访问数据库，其他请求在等待时可以从缓存中获取数据。

4.3 缓存雪崩

redis缓存中的大量数据同时过期或失效，但是在MySQL中存在，导致大量请求直接访问MySQL数据库，造成系统性能下降甚至崩溃。

缓存数据库在整个系统不是必须的，也就是缓存宕机不会影响整个系统提供服务。
解决办法：
1）如果因为缓存数据库宕机，造成所有数据涌向 MySQL。采用高可用的集群方案，如哨兵模式、cluster模式。

2）如果因为设置了相同的过期时间，造成缓存集中失效。设置随机过期值或者其他机制错开失效时间。

3） 如果因为系统重启的时候，造成缓存数据消失。重启时间短，redis 开启持久化（过期信息也会持久化）就行了； 重启时间长，提前将热数据导入 redis 当中。

4.4 缓存方案的弊端

不能处理多语句事务。这是因为redis缓存数据库不支持回滚，造成redis 缓存数据库 与MySQL存储数据库数据不一致。

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注：本专栏知识点是通过<零声教育>的系统学习，进行梳理总结写下文章，对c/c++linux课程感兴趣的读者，可以点击链接,详细查看详细的服务器课程链接 。