Redis的缓存机制用法及说明

Redis缓存介绍

在高并发的场景下，直接使用传统的面向内存的数据库，资源开销会非常大，性能也非常低，数据库服务器很容易崩溃。因此可以把一些经常用到的数据（热数据：使用频率很高，但是占总数据量较少）统一放到Redis中，当客户端查询时，先查询Redis，查询不到，再去查询数据库。

这便是Redis缓存，它就像一个保护罩，为数据库抵达掉了大部分请求：

那么问题就来了：

• 我们怎么知道那些数据是热数据？
• 怎么保证Redis中存储的一直都是热数据？

以上便是我们接下来要讨论的问题。

缓存策略

1）定期生成

每个一定的周期，对于访问数据库数据的频率进行统计，选出前N%的数据，放到Redis缓存中。

这种方式操作最简单，对于数据的掌控也更加稳定。缺点也很明显，就是时效性非常低。

2）实时生成

先给缓存设定容量上限(可以通过 Redis 配置⽂件的 maxmemory 参数设定)。

接下来按照这个流程执行：

1. 先从Redis中查询，查到了直接返回
2. 查不到从数据库中查，返回结果的同时，把这个数据写入Redis

当缓存达到上线，我们根据可靠的缓存淘汰策略，删除Redis中相对不那么“热”的数据。以此达到热数据的动态平衡。

3）缓存淘汰策略

包括但不限于Redis，缓存淘汰策略基本上涵盖了以下这四点：

1. FIFO (First In First Out) 先进先出
   把缓存中存在时间最久的 (也就是先来的数据) 淘汰掉
2. LRU (Least Recently Used) 淘汰最久未使用的
   记录每个 key 的最近访问时间. 把最近访问时间最老的 key 淘汰掉
3. LFU (Least Frequently Used) 淘汰访问次数最少的
   记录每个 key 最近⼀段时间的访问次数. 把访问次数最少的淘汰掉
4. Random 随机淘汰
   从所有的 key 中抽取幸运⼉淘汰掉

Redis中提供的缓存淘汰策略：

• volatile-lru
  当内存不足以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的 key 中使用 LRU（最近最少使用）算法进行淘汰。

• allkeys-lru
  当内存不足以容纳新写入数据时，从所有 key 中使用 LRU（最近最少使用）算法进行淘汰。

• volatile-lfu
  4.0 版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，在过期期的 key 中，使用 LFU 算法进行淘汰 key。

• allkeys-lfu
  4.0 版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，从所有 key 中使用 LFU 算法进行淘汰。

• volatile-random
  当内存不足以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的 key 中，随机淘汰数据。

• allkeys-random
  当内存不足以容纳新写入数据时，从所有 key 中随机淘汰数据。

• volatile-ttl
  在设置了过期时间的 key 中，根据过期时间的剩余大小，提前淘汰剩余时间最短的 key（相当于 FIFO，只要过期最早的 key）。

• noeviction
  默认策略，当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。

Redis中的缓存淘汰策略也都是围绕LCU，LFU来进行的，只不过分为allkeys（全部数据）和volatile（设置过期时间的数据）

缓存中需要考虑的问题

1）缓存预热

试想以下，加入Redis刚启动，里面还没有任何数据写入，那么发过来的请求，直接就进入到了数据库中，数据库仍然会面临很大的压力。

解决办法很简单，就是按照定期生成热数据的方式，把热数据先写入Redsi。即使时效性不高，能为数据库（如MySQL）抵挡大部分请求就可以。

2）缓存穿透 (Cache penetration)

定义：

• 由于发送过来的key是无效的。
• 数据库和Redis缓存中肯定都没有，频繁的这种无效key请求，一定会压垮数据库。

产生原因：

• 业务代码出现漏洞，对参数的校验出了问题
• 开发/运维不小心删除了某个热数据key，自己却没有发现
• 黑客恶意攻击

解决办法：

• 针对数据库查询的参数进行严格校验，避免无效key请求
• 对于数据库中不存在的key，在Redis缓存中设置一个""值，直接拦截非法key请求
• 使用布隆过滤器，判定key是否存储在，存在才进行查询

布隆过滤器

• 是一种高效查询元素是否存在的数据结构。
• 简单的可以认为是hash+位图方式实现，不存储实际值，占用的内存很少

3）缓存雪崩(Cache avalanche)

定义：

• 短时间内大量key同时过期，导致数据库查询操作激增

出现原因：

• 设置key，时使用了统一的过期时间

解决办法：

• 不给key添加过期时间或者添加随机过期时间因子

4) 缓存击穿(Cache breakdown)

定义：

• 缓存雪崩是大量key同时失效，Cache breakdown是某一个或者多个热数据的key失效。而这些热数据访问频率很高，导致数据库查询次数激增
• 在 Redis 和缓存系统的语境下，“缓存 Breakdown”通常指 缓存击穿。

简单来说，就是某一个热点 Key（比如双 11 的秒杀商品）在过期的瞬间，同时有海量的请求打过来。因为缓存失效了，这些请求会像洪流一样直接冲向数据库，可能导致数据库瞬间宕机。

处理这个问题，核心思路只有两个：不让请求全都去查数据库，或者干脆不让热点 Key 过期。

1. 设置互斥锁 (Mutex Lock)

这是最常用的方案。当缓存失效时，不是每个请求都去查数据库，而是先让请求尝试获取一个“锁”（通常用 Redis 的 SETNX 命令）。

• 原理：只有拿到锁的那个请求能去数据库查数据并回写缓存，其他没拿到锁的请求要么等待重试，要么返回空值。
• 优点：保证了数据库的安全性，数据一致性高。
• 缺点：代码逻辑稍微复杂，且在高并发下会有一定的等待延迟。

2. 热点数据“永不过期”

从物理上或者逻辑上让这个 Key 永远存在。

• 物理永不过期：在 SET 的时候不设置过期时间。这种方式最稳，但占用内存且无法自动更新。
• 逻辑永不过期（后台异步更新）：给数据设置一个逻辑上的过期时间（存放在 Value 里）。
• 当程序发现逻辑时间快到期时，由一个后台线程异步去数据库更新这个 Key，并延长逻辑时间。
• 在更新完成前，所有请求继续读取旧的数据。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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