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一、缓存介绍
缓存就是数据交换的缓冲区(称作Cache)，是临时存储数据的地方，一般读写性能较高。 为什么要使用缓存？一句话：速度快，好用。
缓存数据存储于代码中，而代码运行在内存中，内存的读写性能远高于磁盘，缓存可以大大降低用户访问并发量带来的服务器读写压力。实际开发过程中，企业的数据量，少则几十万，多则几千万，这么大数据量，如果没有缓存来作为"避震器"，系统是几乎撑不住的，所以企业会大量运用到缓存技术。但是缓存也会增加代码复杂度和运营的成本：
缓存的作用：
- 降低后端负载
- 提高读写效率，降低响应时间
缓存的成本：
- 数据一致性成本
- 代码维护成本
- 运维成本
二、缓存更新策略
读操作：
- 缓存命中则直接返回
- 缓存未命中则查询数据库，并写入缓存，设定超时时间
写操作：
- 先写数据库，再删除缓存
- 要确保数据库与缓存操作的原子性
三、如何保证redis与数据库一致性
1.解决方案概述
2.双写策略
在更新数据库的同时也更新缓存，以保证两者的数据同步。
3.双删策略
在更新数据库前和之后对缓存进行两次删除操作
3.1延迟双删的目的
减少缓存穿透的时间窗口：第一次删除是为了立即让旧的缓存失效，防止后续请求获取到过期的数据。而第二次删除主要是为了确保在这段时间内，如果有任何尝试将旧数据重新写入缓存的操作，可以被清理掉，避免脏数据进入缓存。
降低缓存击穿的风险：通过延迟一段时间再进行第二次删除，希望这段时间足够让第一个读取数据库并更新缓存的操作完成，从而减少其他并发请求同时查询数据库的可能性。
4.数据重要程度划分
四、缓存穿透
缓存穿透是指，客户端请求的数据在缓存中和数据库中都不存在，这样缓存永远不会生效，这些请求都会打到数据库。
(一)缓存穿透解决方案
1.缓存空对象
优点：实现简单，维护方便；缺点：额外的内存消耗；可能造成短期的不一致
2.布隆过滤器
优点：内存占用较少，没有多余key；缺点：实现复杂；存在误判可能
3.检查非法请求，封禁其IP及其账号
4.增强id的复杂度，避免被猜测id规律
5.做好数据的基础格式校验
6.加强用户权限校验
7.做好热点参数的限流
(二)缓存穿透示意图
五、缓存雪崩
缓存雪崩是指，在同一时段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机，导致大量请求到达数据库，带来巨大压力。
(一)缓存雪崩解决方案
- 针对key失效，给不同的Key的TTL添加随机值
- 针对Redis服务宕机，利用Redis集群提高服务的可用性
- 给缓存业务添加降级限流策略
- 给业务添加多级缓存
(二)缓存雪崩示意图
六、缓存击穿(热点Key问题)
缓存击穿问题也叫热点Key问题，就是一个被高并发访问并且缓存重建业务较复杂的key突然失效了，无数的请求访问会在瞬间给数据库带来巨大的冲击。
(一)缓存击穿解决方案
1.互斥锁
因为锁能实现互斥性。假设线程过来，只能一个人一个人的来访问数据库，从而避免对于数据库访问压力过大，但这也会影响查询的性能，因为此时会让查询的性能从并行变成了串行，可以采用tryLock方法 + double check来解决这样的问题。
假设现在线程1过来访问，他查询缓存没有命中，但是此时他获得到了锁的资源，那么线程1就会一个人去执行逻辑，假设现在线程2过来，线程2在执行过程中，并没有获得到锁，那么线程2就可以进行到休眠，直到线程1把锁释放后，线程2获得到锁，然后再来执行逻辑，此时就能够从缓存中拿到数据了。
2.逻辑过期
把过期时间设置在 redis的value中。注意：这个过期时间并不会直接作用于redis，而是我们后续通过逻辑去处理。
假设线程1去查询缓存，然后从value中判断出来当前的数据已经过期了，此时线程1去获得互斥锁，那么其他线程会进行阻塞，获得了锁的线程他会开启一个新的线程，去进行以前的重构数据的逻辑，直到新开的线程完成这个逻辑后，才释放锁， 而线程1直接进行返回，假设现在线程3过来访问，由于线程线程2持有着锁，所以线程3无法获得锁，线程3也直接返回数据，只有等到新开的线程2把重建数据构建完后，其他线程才能走返回正确的数据。
这种方案巧妙在于，异步的构建缓存，缺点在于在构建完缓存之前，返回的都是脏数据。
3.两种解决方案对比
互斥锁方案：由于保证了互斥性，所以数据一致，且实现简单，因为仅仅只需要加一把锁而已，也没其他的事情需要操心，所以没有额外的内存消耗，缺点在于有锁就有死锁问题的发生，且只能串行执行性能肯定受到影响。
逻辑过期方案：线程读取过程中不需要等待，性能好，有一个额外的线程持有锁去进行重构数据，但是在重构数据完成前，其他的线程只能返回之前的数据，且实现起来麻烦。
| 解决方案 | 优点 | 缺点 |
| 互斥锁 |
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| 逻辑过期 |
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4.CAP理论
4.1CAP理论概述
CAP理论是分布式系统设计中的一个基础概念，由计算机科学家Eric Brewer在2000年提出。该理论指出，在任何分布式系统中，无法同时满足以下三个属性：
1.Consistency(一致性)：每个读操作都能看到最近的一次写操作的结果。这意味着，在任意时刻，所有节点访问的数据都是最新的且一致的。换句话说，系统的状态看起来就像只有一个副本一样。
2.Availability(可用性)：每个请求都能接收到响应，而不论该响应是否成功。即系统总是可以正常处理客户端的请求，即使部分组件出现故障。这保证了服务的持续可用性。
3.Partition Tolerance(分区容错性)：即使网络发生分区故障（即部分节点之间无法通信），系统仍然能够继续运行并提供服务。由于网络分区几乎是不可避免的现实，因此大多数分布式系统都必须支持分区容错性。
4.2CAP理论的核心观点
根据CAP理论，在网络可能发生分区的情况下，系统只能在一致性和可用性之间做出选择，也就是说，无法同时实现所有三个特性。具体来说：
- CP(一致性和分区容错性)：在这种情况下，系统会选择保证数据的一致性，即使这意味着在某些情况下需要牺牲可用性。当网络分区发生时，系统可能会阻止某些操作，直到确保所有节点的数据是一致的。
- AP(可用性和分区容错性)：这种系统会优先保证服务的可用性，即使在网络分区期间可能暂时牺牲数据的一致性。这意味着所有节点都可以接受请求，但不同节点上的数据可能不完全一致，直到网络恢复并且数据同步完成。
值得注意的是，虽然理论上不可能同时达到这三个目标，但在实践中，很多系统会采用“最终一致性”的策略来平衡一致性和可用性，允许短时间内数据不一致，但通过异步复制等机制保证最终所有节点的数据达成一致。
4.3实际应用中的考量
在实际的分布式系统设计中，开发者通常需要基于业务需求和应用场景来权衡这些属性：
- 对于一些金融交易系统或银行应用，可能更倾向于选择CP系统，因为数据的一致性至关重要。
- 对于社交网络或在线论坛这样的应用，可能会选择AP系统，因为高可用性和用户体验更为重要，而短时间内的数据不一致是可以接受的。
4.4结合其他技术手段优化
此外，现代分布式系统还会结合使用其他技术手段来优化性能和可靠性，例如：
- Quorum机制：通过设置读写成功的条件来调整一致性和可用性的平衡。
- 版本控制和冲突解决机制 ：允许存在短暂的数据不一致，并提供机制解决后续的数据冲突问题。
- 缓存、异步复制、读写分离等 ：利用这些技术可以在一定程度上缓解一致性和可用性之间的矛盾。
七、封装工具类
@Component
@Slf4j
public class CacheClient {
private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
// 线程池
private static final ExecutorService CACHE_REBUILD_EXECUTOR = Executors.newFixedThreadPool(10);
public CacheClient(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
}
// 存放缓存数据
public void set(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(value), time, unit);
}
// 设置逻辑过期
public void setWithLogicalExpire(String key, Object value, Long time, TimeUnit unit) {
RedisData redisData = new RedisData();
redisData.setData(value);
redisData.setExpireTime(LocalDateTime.now().plusSeconds(unit.toSeconds(time)));
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, JSONUtil.toJsonStr(redisData));
}
// 设置缓存穿透方法
public <R, ID> R queryWithPassThrough(
String keyPrefix,
ID id,
Class<R> type,
Function<ID, R> dbFallback,
Long time,
TimeUnit unit) {
// 设置缓存key
String key = keyPrefix + id;
// 去redis中查询
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
// 如果存在，则直接返回
return JSONUtil.toBean(json, type);
}
// 如果缓存中没有查到，则判断是否为空值
if (json != null) {
// 不是空值，返回null
return null;
}
// 缓存中不存在，查询数据库
R r = dbFallback.apply(id);
// 如果数据库中不存在，则存储空值，并设置有效期
if (r == null) {
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", RedisConstants.CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
// 返回错误信息
return null;
}
// 数据库中存在，则写入redis中
this.set(key, r, time, unit);
return r;
}
// 设置逻辑过期缓存击穿方法
public <R, ID> R queryWithLogicalExpire(
String keyPrefix,
ID id,
Class<R> type,
Function<ID, R> dbFallback,
Long time,
TimeUnit unit) {
// 设置缓存查询的key
String key = keyPrefix + id;
// 去redis中查询，如果未命中
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
if (StrUtil.isBlank(json)) {
// 找到之前存放的空值，直接返回null
return null;
}
// 如果redis未命中，先将json反序列化为对象
RedisData redisData = JSONUtil.toBean(json, RedisData.class);
R r = JSONUtil.toBean((JSONObject) redisData.getData(), type);
LocalDateTime expireTime = redisData.getExpireTime();
// 判断缓存是否过期
if (expireTime.isAfter(LocalDateTime.now())) {
// 缓存未过期，直接返回
return r;
}
// 缓存已过期，需要缓存重建
// 设置锁的key
String lockKey = RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY + id;
// 获取锁
boolean isLock = tryLock(lockKey);
// 如果获取到锁，则直接返回
if (isLock) {
// 开启独立线程，重建缓存
CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
try {
// 查询数据库
R r1 = dbFallback.apply(id);
// 写入redis
this.setWithLogicalExpire(key, r1, time, unit);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 释放锁
unLock(lockKey);
}
});
}
// 没有获取到锁，返回旧数据
return r;
}
// 设置互斥锁解决缓存击穿方法
public <R, ID> R queryWithMutex(
String keyPrefix,
ID id,
Class<R> type,
Function<ID, R> dbFallback,
Long time,
TimeUnit unit) {
// 设置缓存查询的key
String key = keyPrefix + id;
// 去redis中查询
String json = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
// 判断缓存中是否存在
// 如果存在，则直接返回
if (StrUtil.isNotBlank(json)) {
return JSONUtil.toBean(json, type);
}
// 如果缓存中不存在，则判断是否为空值
if (json != null) {
return null;
}
// 缓存中不存在，实现缓存重建
// 设置锁的key
String lockKey = RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY + id;
// 获取锁
boolean isLock = tryLock(lockKey);
R r = null;
try {
// 判断获取锁是否成功
if (!isLock) {
// 如果获取锁失败，则睡眠，重新再次尝试获取锁
Thread.sleep(50);
return queryWithMutex(keyPrefix, id, type, dbFallback, time, unit);
}
// 如果获取锁成功，则查询数据库
r = dbFallback.apply(id);
// 判断数据库中的数据是否存在
if (r == null) {
// 将空值写入redis中
stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, "", RedisConstants.CACHE_NULL_TTL, TimeUnit.MINUTES);
return null;
}
this.set(key, r, time, unit);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} finally {
// 释放锁
unLock(lockKey);
}
return r;
}
// 尝试获取锁
private boolean tryLock(String key) {
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, "1", RedisConstants.LOCK_SHOP_TTL, TimeUnit.SECONDS);
return BooleanUtil.isTrue(flag);
}
// 释放锁
private void unLock(String key) {
stringRedisTemplate.delete(key);
}
}