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Redis查漏补缺

2020-12-08    
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本文围绕以下几点进行阐述：

一、为什么使用Redis

笔者认为，在项目中使用Redis，主要是从两个角度去考虑：性能和并发。当然，Redis还具备可做分布式锁等功能的其它功能，但如果只是为了分布式锁这些其它功能，完全还有其它中间件（如Zookpeer等）可以代替，并不是非要使用Redis。

因此，这个问题主要从性能和并发两个角度去答：

1、性能

如下图所示，我们在碰到需要执行耗时特别久、且结果不频繁变动的SQL时，就特别适合将运行结果放入缓存。这样，后面的请求就去缓存中读取，使得请求能够迅速响应。

Redis查漏补缺

 

题外话：忽然想聊一下这个迅速响应的标准——其实根据交互效果的不同，这个响应时间没有固定标准。不过曾经有人这么告诉我：“在理想状态下，我们的页面跳转需要在瞬间解决，对于页内操作则需要在刹那间解决。另外，超过一弹指的耗时操作要有进度提示，并且可以随时中止或取消，这样才能给用户最好的体验。”

那么瞬间、刹那、一弹指具体是多少时间呢？

根据《摩诃僧祗律》记载：一刹那者为一念，二十念为一瞬，二十瞬为一弹指，二十弹指为一罗预，二十罗预为一须臾，一日一夜有三十须臾。

那么，经过周密的计算，一瞬间为0.36秒,一刹那有0.018秒，一弹指长达7.2秒。

2、并发

如下图所示，在大并发的情况下，所有的请求直接访问数据库，数据库会出现连接异常。这个时候，就需要使用Redis做一个缓冲操作，让请求先访问到Redis，而不是直接访问数据库。

Redis查漏补缺

 

二、使用Redis有什么缺点

大家用Redis这么久，这个问题是必须要了解的，基本上使用Redis都会碰到一些问题，常见的主要是四方面的问题：

这四个问题，笔者个人觉得在项目中比较常遇见，具体解决方案，后文会给出。

三、单线程的Redis为什么这么快

这个问题其实是对Redis内部机制的一个考察。其实根据笔者的面试经验，很多人其实都不知道Redis是单线程工作模型。所以，这个问题还是应该要复习一下的。主要是以下三点：

我们现在仔细地说一说I/O多路复用机制，因为这个说法实在是太通俗了，通俗到一般人都不懂是什么意思。打一个比方：小曲在S城开了一家快递店，负责同城快送服务。小曲因为资金限制，雇佣了一批快递员，然后小曲发现资金不够了，只够买一辆车送快递。

经营方式一：

客户每送来一份快递，小曲就让一个快递员盯着，然后快递员开车去送快递。慢慢的小曲就发现了这种经营方式存在很多问题，几十个快递员基本上时间都花在了抢车上了，大部分快递员都处在闲置状态，谁抢到了车，谁就能去送快递。

随着快递的增多，快递员也越来越多，小曲发现快递店里越来越挤，没办法雇佣新的快递员了，快递员之间的协调很花时间，大部分时间花在抢车上。综合上述缺点，小曲痛定思痛，提出了下面的经营方式↓

经营方式二：

小曲只雇佣一个快递员，客户送来的快递，小曲按送达地点标注好，然后依次放在一个地方。最后，那个快递员依次去取快递，一次拿一个，开着车去送快递，送好了就回来拿下一个快递。

上述两种经营方式对比，是不是明显觉得第二种，效率更高、更好呢？在上述比喻中：

于是我们有如下结论：

下面类比到真实的Redis线程模型，如图所示：

Redis查漏补缺

 

参照上图，简单来说就是，我们的Redis-client在操作的时候，会产生具有不同事件类型的Socket。在服务端，有一段I/O多路复用程序，将其置入队列之中。然后文件事件分派器依次去队列中取，转发到不同的事件处理器中。

需要说明的是，这个I/O多路复用机制，Redis还提供了Select、Epoll、Evport、Kqueue等多路复用函数库，大家可以自行去了解。

四、Redis的数据类型及各自使用场景

看到这个问题，是不是觉得它很基础？其实笔者也这么觉得。然而根据面试经验发现，至少80%的人答不上这个问题。建议在项目中用到后，再类比记忆，体会更深，不要硬记。基本上，一个合格的程序员五种类型都会用到：

1、String

这个其实没什么好说的，最常规的Set/Get操作，Value可以是String也可以是数字，一般做一些复杂的计数功能的缓存。

2、Hash

这里Value存放的是结构化的对象，比较方便的就是操作其中的某个字段。笔者在做单点登录的时候，就是用这种数据结构存储用户信息，以CookieId作为Key，设置30分钟为缓存过期时间，能很好地模拟出类似Session的效果。

3、List

使用List的数据结构，可以做简单的消息队列的功能。另外还有一个就是，可以利用Lrange命令，做基于Redis的分页功能，性能极佳，用户体验好。

4、Set

因为Set堆放的是一堆不重复值的集合，所以可以做全局去重的功能。

为什么不用JVM自带的Set进行去重？因为我们的系统一般都是集群部署，使用JVM自带的Set比较麻烦，难道为了做一个全局去重，再起一个公共服务？太麻烦了。

另外，就是利用交集、并集、差集等操作，可以计算共同喜好、全部的喜好、自己独有的喜好等功能。

5、Sorted Set

Sorted Set多了一个权重参数Score，集合中的元素能够按Score进行排列。可以做排行榜应用，取TOP N操作。另外，Sorted Set还可以用来做延时任务。最后一个应用就是可以做范围查找。

五、Redis的过期策略及内存淘汰机制

这个问题其实相当重要，从这个问题就可以看出来到底Redis有没有用到位。比如，你Redis只能存5G数据，可是你写了10G，那会删5G的数据。怎么删的？这个问题思考过么？还有，你的数据已经设置了过期时间，但是时间到了，内存占用率还是比较高，有思考过原因么?

Redis采用的是定期删除+惰性删除策略。

为什么不用定时删除策略？

定时删除，用一个定时器来负责监视Key，过期则自动删除。虽然内存及时释放，但是十分消耗CPU资源。在大并发请求下，CPU要将时间应用在处理请求，而不是删除Key，因此没有采用这一策略。

定期删除+惰性删除是如何工作的呢？

定期删除，Redis默认每个100ms检查是否有过期的Key，有过期Key则删除。需要说明的是，Redis不是每个100ms将所有的Key检查一次，而是随机抽取进行检查（如果每隔100ms，全部Key进行检查，Redis岂不是卡死）。因此，如果只采用定期删除策略，会导致很多Key到时间没有删除。

于是，惰性删除派上用场。也就是说在你获取某个Key的时候，Redis会检查一下，这个Key如果设置了过期时间，那么是否过期了？如果过期了此时就会删除。

采用定期删除+惰性删除就没其他问题了么？

不是的，如果定期删除没删除Key。然后你也没及时去请求Key，也就是说惰性删除也没生效。这样，Redis的内存会越来越高，那么就应该采用内存淘汰机制。

在Redis.conf中有一行配置：

# maxmemory-policy volatile-lru

该配置就是配内存淘汰策略的：

PS：如果没有设置Expire的Key，不满足先决条件（Prerequisites）；那么Volatile-lru、Volatile-random和Volatile-ttl策略的行为，和Noeviction（不删除）基本上一致。

六、Redis和数据库双写一致性问题

一致性问题是分布式常见问题，还可以再分为最终一致性和强一致性。数据库和缓存双写，就必然会存在不一致的问题，想要回答这个问题，就要先明白一个前提：如果对数据有强一致性要求，就不能放缓存。我们所做的一切，只能保证最终一致性。

另外，我们所做的方案其实从根本上来说，只能说降低不一致发生的概率，无法完全避免。因此，有强一致性要求的数据不能放缓存。

在互联网领域，缓存由于其高并发和高性能的特性，已经在项目中被广泛使用。在读取缓存方面，大家没什么疑问，都是按照下图的流程来进行业务操作。

Redis查漏补缺

 

但是在更新缓存方面，对于更新完数据库，是更新缓存呢，还是删除缓存；又或者是先删除缓存，再更新数据库，其实大家存在很大的争议。

从理论上来说，给缓存设置过期时间，是保证最终一致性的解决方案。这种方案下，我们可以对存入缓存的数据设置过期时间，所有的写操作以数据库为准，对缓存操作只是尽最大努力即可。也就是说如果数据库写成功，缓存更新失败，那么只要到达过期时间，则后面的读请求自然会从数据库中读取新值然后回填缓存。因此，接下来讨论的思路不依赖于给缓存设置过期时间这个方案。

在这里，我们讨论三种更新策略：

  1. 先更新数据库，再更新缓存；
  2. 先删除缓存，再更新数据库；
  3. 先更新数据库，再删除缓存。

应该没有人会问我，为什么没有先更新缓存，再更新数据库这种策略吧？

1、先更新数据库，再更新缓存

这套方案，大家是普遍反对的。为什么呢？有如下两点原因。

同时有请求A和请求B进行更新操作，那么会出现

  1. 线程A更新了数据库；
  2. 线程B更新了数据库；
  3. 线程B更新了缓存；
  4. 线程A更新了缓存。

这就出现请求A更新缓存应该比请求B更新缓存早才对，但是因为网络等原因，B却比A更早更新了缓存。这就导致了脏数据，因此不考虑。

有如下两点：

  1. 如果你是一个写数据库场景比较多，而读数据场景比较少的业务需求，采用这种方案就会导致，数据压根还没读到，缓存就被频繁地更新，浪费性能；
  2. 如果你写入数据库的值，并不是直接写入缓存的，而是要经过一系列复杂的计算再写入缓存。那么，每次写入数据库后，都再次计算写入缓存的值，无疑是浪费性能的。显然，删除缓存更为适合。

接下来讨论的就是争议最大的，是先删缓存、再更新数据库，还是先更新数据库、再删缓存的问题。

二、先删除缓存，再更新数据库

该方案会导致不一致的原因是，同时有一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形：

  1. 请求A进行写操作，删除缓存；
  2. 请求B查询发现缓存不存在；
  3. 请求B去数据库查询得到旧值；
  4. 请求B将旧值写入缓存；
  5. 请求A将新值写入数据库。

上述情况就会导致不一致的情形出现。而且，如果不采用给缓存设置过期时间策略，该数据永远都是脏数据。

那么，如何解决呢？采用延时双删策略。

伪代码如下：

public void write(String key,Object data){

redis.delKey(key);

db.updateData(data);

Thread.sleep(1000);

redis.delKey(key);

}

转化为中文描述就是：

  1. 先淘汰缓存；
  2. 再写数据库（这两步和原来一样）；
  3. 休眠1秒，再次淘汰缓存。

这么做，可以将1秒内所造成的缓存脏数据，再次删除。

那么，这个1秒是怎么确定的，具体该休眠多久呢？

针对上面的情形，读者应该自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时。然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上，加几百ms即可。这么做的目的，就是确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。

如果你用了MySQL的读写分离架构怎么办？

在这种情况下，造成数据不一致的原因如下，还是两个请求，一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作。

  1. 请求A进行写操作，删除缓存；
  2. 请求A将数据写入数据库了；
  3. 请求B查询缓存发现，缓存没有值；
  4. 请求B去从库查询，这时，还没有完成主从同步，因此查询到的是旧值；
  5. 请求B将旧值写入缓存；
  6. 数据库完成主从同步，从库变为新值。

上述情形，就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是，睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上，加几百ms。

采用这种同步淘汰策略，吞吐量降低怎么办？

那就将第二次删除作为异步的。自己起一个线程，异步删除。这样，写的请求就不用沉睡一段时间再返回。这么做，加大吞吐量。

第二次删除，如果删除失败怎么办？

这是个非常好的问题，因为第二次删除失败，就会出现如下情形。还是有两个请求，一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作，为了方便，假设是单库：

  1. 请求A进行写操作，删除缓存；
  2. 请求B查询发现缓存不存在；
  3. 请求B去数据库查询得到旧值；
  4. 请求B将旧值写入缓存；
  5. 请求A将新值写入数据库；
  6. 请求A试图去删除请求B写入对缓存值，结果失败了。

这也就是说，如果第二次删除缓存失败，会再次出现缓存和数据库不一致的问题。

如何解决呢？

具体解决方案，且看笔者下文对第三种更新策略的解析。

三、先更新数据库，再删除缓存

国外提出了一个缓存更新套路，名为《Cache-Aside pattern》[1]，其中就指出：

另外， Facebook也在论文《Scaling Memcache at Facebook》[2]中提出，他们用的也是先更新数据库，再删缓存的策略。

这种情况不存在并发问题么？

不是的。假设这会有两个请求，一个请求A做查询操作，一个请求B做更新操作，那么会有如下情形产生：

  1. 缓存刚好失效；
  2. 请求A查询数据库，得一个旧值；
  3. 请求B将新值写入数据库；
  4. 请求B删除缓存；
  5. 请求A将查到的旧值写入缓存。

如果发生上述情况，确实是会发生脏数据。

然而，发生这种情况的概率又有多少？

发生上述情况有一个先天性条件，就是步骤3的写数据库操作比步骤2的读数据库操作耗时更短，才有可能使得步骤4先于步骤5。可是，大家想想，数据库的读操作的速度远快于写操作的（不然做读写分离干嘛，做读写分离的意义就是因为读操作比较快，耗资源少），因此步骤3耗时比步骤2更短，这一情形很难出现。

假设，有人非要抬杠，有强迫症，一定要解决怎么办？

如何解决上述并发问题？

首先，给缓存设有效时间是一种方案。其次，采用策略二里给出的异步延时删除策略，保证读请求完成以后，再进行删除操作。

还有其他造成不一致的原因么？

有的，这也是缓存更新策略二和缓存更新策略三都存在的一个问题，如果删缓存失败了怎么办，那不是会有不一致的情况出现么。比如一个写数据请求，然后写入数据库了，删缓存失败了，这会就出现不一致的情况了。这也是缓存更新策略二里留下的最后一个疑问。

如何解决？

提供一个保障的重试机制即可，这里给出两套方案。

如下图所示：

Redis查漏补缺

 

流程如下所示：

  1. 更新数据库数据；
  2. 缓存因为种种问题删除失败；
  3. 将需要删除的key发送至消息队列；
  4. 自己消费消息，获得需要删除的key；
  5. 继续重试删除操作，直到成功。

然而，该方案有一个缺点，对业务线代码造成大量的侵入。于是有了方案二，在方案二中，启动一个订阅程序去订阅数据库的binlog，获得需要操作的数据。在应用程序中，另起一段程序，获得这个订阅程序传来的信息，进行删除缓存操作。

 

Redis查漏补缺

 

流程如下图所示：

  1. 更新数据库数据；
  2. 数据库会将操作信息写入binlog日志当中；
  3. 订阅程序提取出所需要的数据以及key；
  4. 另起一段非业务代码，获得该信息；
  5. 尝试删除缓存操作，发现删除失败；
  6. 将这些信息发送至消息队列；
  7. 重新从消息队列中获得该数据，重试操作。

备注说明：上述的订阅binlog程序在MySQL中有现成的中间件叫Canal，可以完成订阅binlog日志的功能。至于Oracle中，笔者目前不清楚有没有现成中间件可以使用。另外，重试机制，笔者采用的是消息队列的方式。如果对一致性要求不是很高，直接在程序中另起一个线程，每隔一段时间去重试即可，这些大家可以灵活自由发挥，只是提供一个思路。

本文其实是对目前互联网中已有的一致性方案，进行了一个总结。对于先删缓存、再更新数据库的更新策略，还有方案提出维护一个内存队列的方式，笔者看了一下，觉得实现异常复杂，没有必要，因此没有在文中给出。最后，希望大家有所收获。

 

七、应对缓存穿透和缓存雪崩问题

关于“如何应对缓存穿透和缓存雪崩”这两个问题，说句实在话，一般中小型传统软件企业很难碰到。如果有大并发的项目，流量有几百万左右，这两个问题一定要深刻考虑：

1、应对缓存穿透

缓存穿透，即黑客故意去请求缓存中不存在的数据，导致所有的请求都怼到数据库上，从而数据库连接异常。

解决方案：

2、应对缓存雪崩

缓存雪崩，即缓存同一时间大面积的失效，这个时候又来了一波请求，结果请求都怼到数据库上，从而导致数据库连接异常。

解决方案：

八、如何解决Redis并发竞争Key问题

这个问题大致就是同时有多个子系统去Set一个Key。这个时候要注意什么呢？本人提前百度了一下，发现大家思考的答案基本都是推荐用Redis事务机制。但本人不推荐使用Redis的事务机制。因为我们的生产环境，基本都是Redis集群环境，做了数据分片操作。你一个事务中有涉及到多个Key操作的时候，这多个Key不一定都存储在同一个Redis-Server上。因此，Redis的事务机制，十分鸡肋。

解决方法如下：

如果对这个Key操作不要求顺序

这种情况下，准备一个分布式锁，大家去抢锁，抢到锁就做Set操作即可，比较简单。

如果对这个Key操作要求顺序

假设有一个Key1，系统A需要将Key1设置为ValueA，系统B需要将Key1设置为ValueB，系统C需要将Key1设置为ValueC。期望按照Key1的Value值按照 ValueA→ValueB→ValueC的顺序变化。这种时候我们在数据写入数据库的时候，需要保存一个时间戳。假设时间戳如下：

那么，假设这会系统B先抢到锁，将Key1设置为{ValueB 3:05}。接下来系统A抢到锁，发现自己的ValueA的时间戳早于缓存中的时间戳，那就不做Set操作了。以此类推。

其他方法，比如利用队列，将Set方法变成串行访问也可以。总之，灵活变通。

 

完毕！~！！

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