高并发场景下的缓存有哪些常见的问题?

一、缓存一致性问题

当数据时效性要求很高时,需要保证缓存中的数据与数据库中的保持一致,而且需要保证缓存节点和副本中的数据也保持一致,不能出现差异现象。

这就比较依赖缓存的过期和更新策略。一般会在数据发生更改的时,主动更新缓存中的数据或者移除对应的缓存。

二、缓存并发问题

缓存过期后将尝试从后端数据库获取数据,这是一个看似合理的流程。但是,在高并发场景下,有可能多个请求并发的去从数据库获取数据,对后端数据库造成极大的冲击,甚至导致 “雪崩”现象。

此外,当某个缓存key在被更新时,同时也可能被大量请求在获取,这也会导致一致性的问题。那如何避免类似问题呢?

我们会想到类似“锁”的机制,在缓存更新或者过期的情况下,先尝试获取到锁,当更新或者从数据库获取完成后再释放锁,其他的请求只需要牺牲一定的等待时间,即可直接从缓存中继续获取数据。

三、缓存穿透问题

缓存穿透在有些地方也称为“击穿”。很多朋友对缓存穿透的理解是:由于缓存故障或者缓存过期导致大量请求穿透到后端数据库服务器,从而对数据库造成巨大冲击。

这其实是一种误解。真正的缓存穿透应该是这样的:

在高并发场景下,如果某一个key被高并发访问,没有被命中,出于对容错性考虑,会尝试去从后端数据库中获取,从而导致了大量请求达到数据库,而当该key对应的数据本身就是空的情况下,这就导致数据库中并发的去执行了很多不必要的查询操作,从而导致巨大冲击和压力。

可以通过下面的几种常用方式来避免缓存传统问题:

1、缓存空对象

对查询结果为空的对象也进行缓存,如果是集合,可以缓存一个空的集合(非null),如果是缓存单个对象,可以通过字段标识来区分。这样避免请求穿透到后端数据库。

同时,也需要保证缓存数据的时效性。这种方式实现起来成本较低,比较适合命中不高,但可能被频繁更新的数据。

2、单独过滤处理

对所有可能对应数据为空的key进行统一的存放,并在请求前做拦截,这样避免请求穿透到后端数据库。这种方式实现起来相对复杂,比较适合命中不高,但是更新不频繁的数据。

四、缓存颠簸问题

缓存的颠簸问题,有些地方可能被成为“缓存抖动”,可以看做是一种比“雪崩”更轻微的故障,但是也会在一段时间内对系统造成冲击和性能影响。一般是由于缓存节点故障导致。业内推荐的做法是通过一致性Hash算法来解决。

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五、缓存的雪崩现象

缓存雪崩就是指由于缓存的原因,导致大量请求到达后端数据库,从而导致数据库崩溃,整个系统崩溃,发生灾难。

导致这种现象的原因有很多种,上面提到的“缓存并发”,“缓存穿透”,“缓存颠簸”等问题,其实都可能会导致缓存雪崩现象发生。这些问题也可能会被恶意攻击者所利用。

还有一种情况,例如某个时间点内,系统预加载的缓存周期性集中失效了,也可能会导致雪崩。为了避免这种周期性失效,可以通过设置不同的过期时间,来错开缓存过期,从而避免缓存集中失效。

从应用架构角度,我们可以通过限流、降级、熔断等手段来降低影响,也可以通过多级缓存来避免这种灾难。

此外,从整个研发体系流程的角度,应该加强压力测试,尽量模拟真实场景,尽早的暴露问题从而防范。

六、缓存无底洞现象

该问题由 facebook 的工作人员提出的, facebook 在 2010 年左右,memcached 节点就已经达3000 个,缓存数千 G 内容。

他们发现了一个问题---memcached 连接频率,效率下降了,于是加 memcached 节点,添加了后,发现因为连接频率导致的问题,仍然存在,并没有好转,称之为”无底洞现象”。

目前主流的数据库、缓存、Nosql、搜索中间件等技术栈中,都支持“分片”技术,来满足“高性能、高并发、高可用、可扩展”等要求。

有些是在client端通过Hash取模(或一致性Hash)将值映射到不同的实例上,有些是在client端通过范围取值的方式映射的。当然,也有些是在服务端进行的。

但是,每一次操作都可能需要和不同节点进行网络通信来完成,实例节点越多,则开销会越大,对性能影响就越大。

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主要可以从如下几个方面避免和优化:

1、数据分布方式

有些业务数据可能适合Hash分布,而有些业务适合采用范围分布,这样能够从一定程度避免网络IO的开销。

2、IO优化

可以充分利用连接池,NIO等技术来尽可能降低连接开销,增强并发连接能力。

3、数据访问方式

一次性获取大的数据集,会比分多次去获取小数据集的网络IO开销更小。

当然,缓存无底洞现象并不常见。在绝大多数的公司里可能根本不会遇到。

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