1.緩存的作用

數據庫(如Mysql)的持久化特點帶來了較低的性能，高并發的場景下，連接池很快被耗盡而出現宕機或DOS，無法繼續對外提供服務。相對于數據庫的硬盤IO，緩存中間件基于內存進行讀寫，從而具備較大的吞吐量和高并發抵抗能力。

在服務器與數據庫之間添加一層緩存，一方面可以緩解數據庫壓力，適應高并發場景；另一方面可以提高服務器的響應速度(內存讀寫速度遠高于磁盤IO)，具體流程如下所示：

引入緩存后，服務器會先從緩存服務器查詢，若數據不存在，才會從數據庫查詢，并將數據庫查詢結果寫入緩存服務器。當數據被緩存至緩存服務器后，服務器后續直接從內存讀取，不再經過數據庫。

數據庫中的數據都多寫少，而且一般而言遵循二八定律，即20%為熱點數據，80%為不常用數據。內存資源較為寶貴，所以希望緩存中盡可能多的是熱點數據；過期時間、續期等機制為其提供了一個很好的解決方案。

Redis是緩存常用的方案，本文介紹的緩存服務器默認指Redis，數據庫默認指代Mysql。Redis中以鍵值對的形式存放數據。Redis之所以可以保護Mysql，是因為過濾了絕大部分請求壓力，當這部分壓力透過Redis直接轉移到Mysql時, 會導致Mysql服務宕機。有三種場景會導致這個問題，以下分章節進行介紹。

2.緩存穿透

當訪問數據庫中不存在的數據時，也不會將數據緩存到Redis中，從而每次請求都直接訪問數據庫，如同穿透了緩存一樣。攻擊者可以借此繞開Redis的緩存保護，供給服務器的數據庫，如Mysql數據庫的ID為自增序列時，高并發查詢ID為-1的數據。

如下圖所示，Redis和Mysql中不存在數據C，客戶端高并發請求C數據時，請求會全部發送到Mysql中。

存在以下解決方案:

方案1：緩存空值
查詢數據據庫的結果為空時，在Redis中緩存空值并設置較短的有效時間。對于每個不存在的數據都緩存一個空值，可能導致Redis中緩存了大量無效的空值，占據內存空間；另外，在空值的有效期內，可能出現數據不一致情況(數據在數據庫中被添加了)。

方案2：布隆過濾器
布隆過濾器基于Hash函數和長數組實現，特點是可能誤判(不存在表示一定不存在，存在表示可能存在)和不可刪除，當數據變化時，需要重建(定時器執行)布控過濾器。

使用布隆過濾器的流程如下:
初始化：

處理請求：

在《Redis系列-1 Redis介紹》中對Redission庫僅介紹了分布式鎖API的使用方式，除此之外，Redission庫還提供了大量分布式操作的API，如布隆過濾器等。

3.緩存擊穿

Redis中存放的熱點數據存在過期時間，當熱點數據過期后，客戶端的請求會穿過Redis直達數據庫。如下所示，Redis中數據C是個熱點數據，當數據C在Redis中過期而被清除后，高并發請求數據C時，請求會直達Mysql。

存在以下解決方案:

方案1：加分布式鎖

查詢數據庫前，獲取分布式鎖，結合DCL可以保證每個熱點數據僅有一次查詢發送到數據庫。

方案2：熱點數據持續刷新

服務初始化時，將熱點數據刷入Redis中，同時啟動一個定時服務：定時更新熱點數據的過期時間。另外，對于特殊業務場景下，可以設置熱點數據永不過期。

3.緩存雪崩

當Redis中大量緩存過期或者Redis服務器宕機，會導致Redis對于這些數據的攔截失敗，請求會發送到Mysql.

根據不同的原因，存在如下對應解決方案:

方案1：緩存預熱
啟動時進行緩存預熱，將熱點數據提前寫入Redis緩存中，避免系統啟動時高并發訪問Mysql.

方案2：緩存時間添加隨機值
緩存時間添加指定范圍的隨機值，防止緩存集中失效。

方案3：部署Redis集群
Redis宕機會導致緩存數據全局失效，可通過部署Redis集群提高可用性。

另外，還可通過添加分布式鎖來壓縮請求速度，從而給數據庫爭取處理時間；由于嚴重影響吞吐量，使用較少。