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面試前必須要知道的Redis面試題

來自:Java3y(微信號:java3y)

今天來分享一下Redis幾道常見的面試題:

  • 如何解決快取雪崩?

  • 如何解決快取穿透?

  • 如何保證快取與資料庫雙寫時一致的問題?

一、快取雪崩

1.1 什麼是快取雪崩?

 

回顧一下我們為什麼要用快取(Redis):

 

為什麼要快取

現在有個問題,如果我們的快取掛掉了,這意味著我們的全部請求都跑去資料庫了

如果快取掛掉了,全部請求跑去資料庫了

在前面學習我們都知道Redis不可能把所有的資料都快取起來(記憶體昂貴且有限),所以Redis需要對資料設置過期時間,並採用的是惰性刪除+定期刪除兩種策略對過期鍵刪除。Redis對過期鍵的策略+持久化

如果快取資料設置的過期時間是相同的,並且Redis恰好將這部分資料全部刪光了。這就會導致在這段時間內,這些快取同時失效,全部請求到資料庫中。

這就是快取雪崩

  • Redis掛掉了,請求全部走資料庫。

  • 對快取資料設置相同的過期時間,導致某段時間內快取失效,請求全部走資料庫。

 

快取雪崩如果發生了,很可能就把我們的資料庫搞垮,導致整個服務癱瘓!

1.2 如何解決快取雪崩?

 

對於“對快取資料設置相同的過期時間,導致某段時間內快取失效,請求全部走資料庫。”這種情況,非常好解決:

 

  • 解決方法:在快取的時候給過期時間加上一個隨機值,這樣就會大幅度的減少快取在同一時間過期

對於“Redis掛掉了,請求全部走資料庫”這種情況,我們可以有以下的思路:

  • 事發前:實現Redis的高可用(主從架構+Sentinel 或者Redis Cluster),儘量避免Redis掛掉這種情況發生。

  • 事發中:萬一Redis真的掛了,我們可以設置本地快取(ehcache)+限流(hystrix),儘量避免我們的資料庫被幹掉(起碼能保證我們的服務還是能正常工作的)

  • 事發後:redis持久化,重啟後自動從磁盤上加載資料,快速恢復快取資料

二、快取穿透

2.1 什麼是快取穿透

 

比如,我們有一張資料庫表,ID都是從1開始的(正數):

隨便找了一張資料庫表

但是可能有黑客想把我的資料庫搞垮,每次請求的ID都是負數。這會導致我的快取就沒用了,請求全部都找資料庫去了,但資料庫也沒有這個值啊,所以每次都傳回空出去。

快取穿透是指查詢一個一定不存在的資料。由於快取不命中,並且出於容錯考慮,如果從資料庫查不到資料則不寫入快取,這將導致這個不存在的資料每次請求都要到資料庫去查詢,失去了快取的意義。

快取穿透

這就是快取穿透

  • 請求的資料在快取大量不命中,導致請求走資料庫。

快取穿透如果發生了,也可能把我們的資料庫搞垮,導致整個服務癱瘓!

2.1 如何解決快取穿透?

解決快取穿透也有兩種方案:

  • 由於請求的引數是不合法的(每次都請求不存在的引數),於是我們可以使用布隆過濾器(BloomFilter)或者壓縮filter提前攔截,不合法就不讓這個請求到資料庫層!

  • 當我們從資料庫找不到的時候,我們也將這個空物件設置到快取裡邊去。下次再請求的時候,就可以從快取裡邊獲取了。

    • 這種情況我們一般會將空物件設置一個較短的過期時間

參考資料:

  • 快取系列文章–5.快取穿透問題

    • https://carlosfu.iteye.com/blog/2248185

三、快取與資料庫雙寫一致

3.1 對於讀操作,流程是這樣的

 

上面講快取穿透的時候也提到了:如果從資料庫查不到資料則不寫入快取。

一般我們對讀操作的時候有這麼一個固定的套路

  • 如果我們的資料在快取裡邊有,那麼就直接取快取的。

  • 如果快取里沒有我們想要的資料,我們會先去查詢資料庫,然後將資料庫查出來的資料寫到快取中

  • 最後將資料傳回給請求

 

3.2 什麼是快取與資料庫雙寫一致問題?

如果僅僅查詢的話,快取的資料和資料庫的資料是沒問題的。但是,當我們要更新時候呢?各種情況很可能就造成資料庫和快取的資料不一致了。

  • 這裡不一致指的是:資料庫的資料跟快取的資料不一致

資料庫和快取的資料不一致

從理論上說,只要我們設置了鍵的過期時間,我們就能保證快取和資料庫的資料最終是一致的。因為只要快取資料過期了,就會被刪除。隨後讀的時候,因為快取里沒有,就可以查資料庫的資料,然後將資料庫查出來的資料寫入到快取中。

除了設置過期時間,我們還需要做更多的措施來儘量避免資料庫與快取處於不一致的情況發生。

3.3 對於更新操作

一般來說,執行更新操作時,我們會有兩種選擇:

  • 先運算元據庫,再操作快取

  • 先操作快取,再運算元據庫

首先,要明確的是,無論我們選擇哪個,我們都希望這兩個操作要麼同時成功,要麼同時失敗。所以,這會演變成一個分佈式事務的問題。

所以,如果原子性被破壞了,可能會有以下的情況:

  • 運算元據庫成功了,操作快取失敗了

  • 操作快取成功了,運算元據庫失敗了

如果第一步已經失敗了,我們直接傳回Exception出去就好了,第二步根本不會執行。

下麵我們具體來分析一下吧。

3.3.1操作快取

操作快取也有兩種方案:

  • 更新快取

  • 刪除快取

一般我們都是採取刪除快取快取策略的,原因如下:

  1. 高併發環境下,無論是先運算元據庫還是後運算元據庫而言,如果加上更新快取,那就更加容易導致資料庫與快取資料不一致問題。(刪除快取直接和簡單很多)

  2. 如果每次更新了資料庫,都要更新快取【這裡指的是頻繁更新的場景,這會耗費一定的性能】,倒不如直接刪除掉。等再次讀取時,快取里沒有,那我到資料庫找,在資料庫找到再寫到快取裡邊(體現懶加載)

基於這兩點,對於快取在更新時而言,都是建議執行刪除操作!

3.3.2先更新資料庫,再刪除快取

正常的情況是這樣的:

  • 先運算元據庫,成功;

  • 再刪除快取,也成功;

如果原子性被破壞了:

  • 第一步成功(運算元據庫),第二步失敗(刪除快取),會導致資料庫里是新資料,而快取里是舊資料

  • 如果第一步(運算元據庫)就失敗了,我們可以直接傳回錯誤(Exception),不會出現資料不一致。

如果在高併發的場景下,出現資料庫與快取資料不一致的概率特別低,也不是沒有:

  • 快取剛好失效

  • 執行緒A查詢資料庫,得一個舊值

  • 執行緒B將新值寫入資料庫

  • 執行緒B刪除快取

  • 執行緒A將查到的舊值寫入快取

要達成上述情況,還是說一句概率特別低

因為這個條件需要發生在讀快取時快取失效,而且併發著有一個寫操作。而實際上資料庫的寫操作會比讀操作慢得多,而且還要鎖表,而讀操作必需在寫操作前進入資料庫操作,而又要晚於寫操作更新快取,所有的這些條件都具備的概率基本並不大。

對於這種策略,其實是一種設計樣式:Cache Aside Pattern

先修改資料庫,再刪除快取

刪除快取失敗的解決思路

  • 將需要刪除的key發送到訊息佇列中

  • 自己消費訊息,獲得需要刪除的key

  • 不斷重試刪除操作,直到成功

3.3.3先刪除快取,再更新資料庫

正常情況是這樣的:

  • 先刪除快取,成功;

  • 再更新資料庫,也成功;

如果原子性被破壞了:

  • 第一步成功(刪除快取),第二步失敗(更新資料庫),資料庫和快取的資料還是一致的。

  • 如果第一步(刪除快取)就失敗了,我們可以直接傳回錯誤(Exception),資料庫和快取的資料還是一致的。

看起來是很美好,但是我們在併發場景下分析一下,就知道還是有問題的了:

  • 執行緒A刪除了快取

  • 執行緒B查詢,發現快取已不存在

  • 執行緒B去資料庫查詢得到舊值

  • 執行緒B將舊值寫入快取

  • 執行緒A將新值寫入資料庫

所以也會導致資料庫和快取不一致的問題。

併發下解決資料庫與快取不一致的思路

  • 將刪除快取、修改資料庫、讀取快取等的操作積壓到佇列裡邊,實現串行化

將操作積壓到佇列中

 

3.4對比兩種策略

我們可以發現,兩種策略各自有優缺點:

  • 先刪除快取,再更新資料庫

    • 在高併發下表現不如意,在原子性被破壞時表現優異

  • 先更新資料庫,再刪除快取(Cache Aside Pattern設計樣式)

    • 在高併發下表現優異,在原子性被破壞時表現不如意

 

3.5 其他保障資料一致的方案與資料

可以用databus或者阿裡的canal監聽binlog進行更新。

參考資料:

  • 快取更新的套路

    • https://coolshell.cn/articles/17416.html

  • 如何保證快取與資料庫雙寫時的資料一致性?

    • https://github.com/doocs/advanced-java/blob/master/docs/high-concurrency/redis-consistence.md

  • 分佈式之資料庫和快取雙寫一致性方案解析

    • https://zhuanlan.zhihu.com/p/48334686

  • Cache Aside Pattern

    • https://blog.csdn.net/z50l2o08e2u4aftor9a/article/details/81008933

最後

這是幾道Redis常見的面試題,希望大家看完有所幫助,順利拿到offer!


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