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前言
- Redis数据类型
- Redis可用性
- - 1、redis持久化
  - 2、redis事务
  - 3、redis失效策略
  - 4、redis读写模式
  - 5、多级缓存
一、缓存雪崩
二、缓存穿透
三、缓存击穿
四、数据不一致
五、数据并发竞争
六、热点key问题
七、BigKey问题

前言

Redis数据类型

类型	底层	应用场景
String	SDS数组	验证码、计数器、订单重复提交令牌、热点商品卡片、分布式锁
List	QuickList	简单队列、最新评论列表、非实时排行榜：定时计算榜单
Hash	哈希	购物车、个人信息、商品详情
Set	inSet	交集、并集、差集操作，例如朋友关系、去重
Sorted set	跳跃表	去重后排序，适合排名场景

Redis可用性

1、redis持久化

持久化就是把内存中的数据持久化到本地磁盘，防止服务器宕机了内存数据丢失

Redis 提供两种持久化机制 RDB（默认）和 AOF 机制，Redis4.0以后采用混合持久化，用 AOF 来保证数据不丢失，作为数据恢复的第一选择; 用 RDB 来做不同程度的冷备

RDB：是Redis DataBase缩写快照

RDB是Redis默认的持久化方式。按照一定的时间将内存的数据以快照的形式保存到硬盘中，对应产生的数据文件为dump.rdb。通过配置文件中的save参数来定义快照的周期。

优点：

1）只有一个文件 dump.rdb，方便持久化；

2）容灾性好，一个文件可以保存到安全的磁盘。

3）性能最大化，fork 子进程来进行持久化写操作，让主进程继续处理命令，只存在毫秒级不响应请求。

4）相对于数据集大时，比 AOF 的启动效率更高。

缺点：

数据安全性低，RDB 是间隔一段时间进行持久化，如果持久化之间 redis 发生故障，会发生数据丢失。

AOF：持久化

AOF持久化(即Append Only File持久化)，则是将Redis执行的每次写命令记录到单独的日志文件中，当重启Redis会重新将持久化的日志中文件恢复数据。

优点：

1）数据安全，aof 持久化可以配置 appendfsync 属性，有 always，每进行一次命令操作就记录到 aof 文件中一次。

2）通过 append 模式写文件，即使中途服务器宕机，可以通过 redis-check-aof 工具解决数据一致性问题。

缺点：

1）AOF 文件比 RDB 文件大，且恢复速度慢。

2）数据集大的时候，比 rdb 启动效率低。

2、redis事务

事务是一个单独的隔离操作：事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中，不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。事务是一个原子操作：事务中的命令要么全部被执行，要么全部都不执行。

Redis事务的概念

Redis 事务的本质是通过MULTI、EXEC、WATCH等一组命令的集合。事务支持一次执行多个命令，一个事务中所有命令都会被序列化。在事务执行过程，会按照顺序串行化执行队列中的命令，其他客户端提交的命令请求不会插入到事务执行命令序列中。总结说：redis事务就是一次性、顺序性、排他性的执行一个队列中的一系列命令。

Redis的事务总是具有ACID中的一致性和隔离性，其他特性是不支持的。当服务器运行在AOF持久化模式下，并且appendfsync选项的值为always时，事务也具有耐久性。

Redis事务功能是通过MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH 四个原语实现的

事务命令：

MULTI：用于开启一个事务，它总是返回OK。MULTI执行之后，客户端可以继续向服务器发送任意多条命令，这些命令不会立即被执行，而是被放到一个队列中，当EXEC命令被调用时，所有队列中的命令才会被执行。

EXEC：执行所有事务块内的命令。返回事务块内所有命令的返回值，按命令执行的先后顺序排列。当操作被打断时，返回空值 nil 。

WATCH ：是一个乐观锁，可以为 Redis 事务提供 check-and-set （CAS）行为。可以监控一个或多个键，一旦其中有一个键被修改（或删除），之后的事务就不会执行，监控一直持续到EXEC命令。（秒杀场景）

DISCARD：调用该命令，客户端可以清空事务队列，并放弃执行事务，且客户端会从事务状态中退出。

UNWATCH ：命令可以取消watch对所有key的监控。

3、redis失效策略

内存淘汰策略

1）全局的键空间选择性移除

noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。（字典库常用）

allkeys-lru：在键空间中，移除最近最少使用的key。（缓存常用）

allkeys-random：在键空间中，随机移除某个key。

2）设置过期时间的键空间选择性移除

volatile-lru：在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的key。

volatile-random：在设置了过期时间的键空间中，随机移除某个key。

volatile-ttl：在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的key优先移除。

缓存失效策略

定时清除：针对每个设置过期时间的key都创建指定定时器

惰性清除：访问时判断，对内存不友好

定时扫描清除：定时100ms随机20个检查过期的字典，若存在25%以上则继续循环删除。

4、redis读写模式

CacheAside旁路缓存

写请求更新数据库后删除缓存数据。读请求不命中查询数据库，查询完成写入缓存

在这里插入图片描述

业务端处理所有数据访问细节，同时利用 Lazy 计算的思想，更新 DB 后，直接删除 cache 并通过 DB 更新，确保数据以 DB 结果为准，则可以大幅降低 cache 和 DB 中数据不一致的概率

如果没有专门的存储服务，同时是对数据一致性要求比较高的业务，或者是缓存数据更新比较复杂的业务，适合使用 Cache Aside 模式。如微博发展初期，不少业务采用这种模式

// 延迟双删，用以保证最终一致性,防止小概率旧数据读请求在第一次删除后更新数据库
public void write(String key,Object data){
	redis.delKey(key);
	db.updateData(data);
	Thread.sleep(1000);
	redis.delKey(key);
}

高并发下保证绝对的一致，先删缓存再更新数据，需要用到内存队列做异步串行化。非高并发场景，先更新数据再删除缓存，延迟双删策略基本满足了

先更新db后删除redis：删除redis失败则出现问题
先删redis后更新db：删除redis瞬间，旧数据被回填redis
先删redis后更新db休眠后删redis：同第二点，休眠后删除redis 可能宕机
java内部jvm队列：不适用分布式场景且降低并发

Read/Write Though（读写穿透）

先查询缓存中数据是否存在,如果存在则直接返回,如果不存在,则由缓存组件负责从数据库中同步加载数据。

在这里插入图片描述
先查询要写入的数据在缓存中是否已经存在,如果已经存在,则更新缓存中的数据，并且由缓存组件同步更新到数据库中。

在这里插入图片描述
用户读操作较多.相较于Cache aside而言更适合缓存一致的场景。使用简单屏蔽了底层数据库的操作,只是操作缓存。

场景：

微博 Feed 的 Outbox Vector（即用户最新微博列表）就采用这种模式。一些粉丝较少且不活跃的用户发表微博后，Vector 服务会首先查询 Vector Cache，如果 cache 中没有该用户的 Outbox 记录，则不写该用户的 cache 数据，直接更新 DB 后就返回，只有 cache 中存在才会通过 CAS 指令进行更新。

5、多级缓存

浏览器本地内存缓存：专题活动，一旦上线，在活动期间是不会随意变更的。
浏览器本地磁盘缓存： Logo缓存，大图片懒加载
服务端本地内存缓存：由于没有持久化，重启时必定会被穿透
服务端网络内存缓存 ：Redis等，针对穿透的情况下可以继续分层，必须保证数据库不被压垮

为什么不是使用服务器本地磁盘做缓存？

当系统处理大量磁盘 IO 操作的时候，由于 CPU 和内存的速度远高于磁盘，可能导致 CPU 耗费太多时间等待磁盘返回处理的结果。对于这部分 CPU 在 IO 上的开销，我们称为 iowait

一、缓存雪崩

指缓存同一时间大面积的失效，所以，后面的请求都会落到数据库上，造成数据库短时间内承受大量请求而崩掉。

解决方案：

Redis 高可用，主从+哨兵，Redis cluster，避免全盘崩溃
本地 ehcache 缓存 + hystrix 限流&降级，避免 MySQL 被打死。
缓存数据的过期时间设置随机，防止同一时间大量数据过期现象发生。
逻辑上永不过期给每一个缓存数据增加相应的缓存标记，缓存标记失效则更新数据缓存
多级缓存，失效时通过二级更新一级，由第三方插件更新二级缓存。

二、缓存穿透

缓存穿透是指缓存和数据库中都没有的数据，导致所有的请求都落到数据库上，造成数据库短时间内承受大量请求而崩掉。

解决方案：
1）接口层增加校验，如用户鉴权校验，id做基础校验，id<=0的直接拦截；

2）从缓存取不到的数据，在数据库中也没有取到，这时也可以将key-value对写为key-null，缓存有效时间可以设置短点，如30秒。这样可以防止攻击用户反复用同一个id暴力攻击；

3）采用布隆过滤器，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的 bitmap 中，一个一定不存在的数据会被这个 bitmap 拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。（宁可错杀一千不可放过一人）

三、缓存击穿

这时由于并发用户特别多，同时读缓存没读到数据，又同时去数据库去取数据，引起数据库压力瞬间增大，造成过大压力。和缓存雪崩不同的是，缓存击穿指并发查同一条数据，缓存雪崩是不同数据都过期了，很多数据都查不到从而查数据库。

解决方案：

1）设置热点数据永远不过期，异步线程处理。

2）加写回操作加互斥锁，查询失败默认值快速返回。

3）缓存预热

系统上线后，将相关可预期（例如排行榜） 热点数据直接加载到缓存。

写一个缓存刷新页面，手动操作热点数据（例如广告推广）上下线。

四、数据不一致

在缓存机器的带宽被打满，或者机房网络出现波动时，缓存更新失败，新数据没有写入缓存，就会导致缓存和 DB 的数据不一致。缓存 rehash 时，某个缓存机器反复异常，多次上下线，更新请求多次 rehash。这样，一份数据存在多个节点，且每次 rehash 只更新某个节点，导致一些缓存节点产生脏数据。

Cache 更新失败后，可以进行重试，则将重试失败的 key 写入mq，待缓存访问恢复后，将这些 key 从缓存删除。这些 key 在再次被查询时，重新从 DB 加载，从而保证数据的一致性
缓存时间适当调短，让缓存数据及早过期后，然后从 DB 重新加载，确保数据的最终一致性。
不采用 rehash 漂移策略，而采用缓存分层策略，尽量避免脏数据产生。

五、数据并发竞争

数据并发竞争在大流量系统也比较常见，比如车票系统，如果某个火车车次缓存信息过期，但仍然有大量用户在查询该车次信息。又比如微博系统中，如果某条微博正好被缓存淘汰，但这条微博仍然有大量的转发、评论、赞。上述情况都会造成并发竞争读取的问题。

加写回操作加互斥锁，查询失败默认值快速返回。
对缓存数据保持多个备份，减少并发竞争的概率

六、热点key问题

明星结婚、离婚、出轨这种特殊突发事件，比如奥运、春节这些重大活动或节日，还比如秒杀、双12、618 等线上促销活动，都很容易出现 Hot key 的情况。

如何提前发现HotKey？

对于重要节假日、线上促销活动这些提前已知的事情，可以提前评估出可能的热 key 来。
而对于突发事件，无法提前评估，可以通过 Spark，对应流任务进行实时分析，及时发现新发布的热点 key。而对于之前已发出的事情，逐步发酵成为热 key 的，则可以通过 Hadoop 对批处理任务离线计算，找出最近历史数据中的高频热 key。

解决方案：

这 n 个 key 分散存在多个缓存节点，然后 client 端请求时，随机访问其中某个后缀的 hotkey，这样就可以把热 key 的请求打散，避免一个缓存节点过载
缓存集群可以单节点进行主从复制和垂直扩容
利用应用内的前置缓存，但是需注意需要设置上限
延迟不敏感，定时刷新，实时感知用主动刷新
和缓存穿透一样，限制逃逸流量，单请求进行数据回源并刷新前置
无论如何设计，最后都要写一个兜底逻辑，千万级流量说来就来