常见概念

在使用缓存之前，了解缓存领域中的常用术语很重要：

• 1）缓存命中：表示可以从缓存获取数据，无需再次请求源数据；
• 2）缓存未命中：表示无法从缓存中获取数据，如果缓存有空间，将会将数据加入缓存；
• 3）存储成本：当缓存未命中时，需要从源数据中获取并存储到缓存中，这个过程所需的时间和空间称为存储成本；
• 4）缓存失效：当源数据发生变化时，缓存中的数据变得无效；
• 5）缓存污染：将不常访问的数据存放在缓存中，导致常访问的数据无法放入缓存；
• 6）替换策略：当缓存空间不足时，需要替换一些数据。选择替换哪些数据由替换策略决定。常见的替换策略包括：

缓存策略

当涉及到缓存策略时，以下是对三种常见的缓存策略机制进行分析：

Least-Recently-Used (LRU)：最近最少使用

LRU是一种基于使用频率的缓存替换策略。它的基本思想是，如果一个数据项最近被访问过，那么它在未来也可能会被频繁访问。因此，当缓存空间不足时，LRU会选择最近最久未被使用的数据项进行替换。

实现LRU策略的一种方法是使用一个双向链表来维护所有缓存的顺序，其中最近使用过的缓存项会被移到链表的前面。当需要替换时，可以从链表的末尾删除最久未使用的缓存项。

Least-Frequently-Used (LFU)：最少使用频率

LFU是一种基于使用频率的缓存替换策略。它的基本思想是，如果一个数据项在过去使用频率较低，那么在未来也可能很少被使用。因此，当缓存空间不足时，LFU会选择使用频率最低的数据项进行替换。

实现LFU策略需要维护每个缓存项被访问的频率信息。当某个缓存项被访问时，其对应的频率会增加。当需要替换时，可以选择频率最低的缓存项进行替换。

First in First Out (FIFO)：先进先出

FIFO是一种简单的缓存替换策略。它的基本原则是，最先进入缓存的数据项最先被替换。当缓存空间不足时，FIFO会选择最早添加到缓存中的数据项进行替换。

实现FIFO策略可以使用一个队列来维护缓存项的顺序，新加入的项会被添加到队列的末尾。当需要替换时，可以从队列的头部删除最早添加的缓存项。

需要注意的是，每种缓存策略都有其优点和缺点，适用于不同的应用场景。选择合适的缓存策略取决于资源的特点以及访问模式的情况。例如，如果某个应用具有明显的访问热点，那么LRU可能是一个更好的选择；如果应用中的数据访问频率非常不均匀，LFU可能是一个更好的选择。

策略总结

由于存储空间有限，替代策略的核心问题是如何保留高频访问的缓存数据，以提高缓存命中率和整体缓存效率。难点在于需要通过对数据的历史访问情况进行分析，以预测未来访问情况，并找到合适的策略。

缓存访问场景分析

通常，使用缓存的操作如下：请求首先访问缓存数据，如果缓存中不存在，则将会从数据库获取数据，并将其写入缓存；如果缓存中存在数据，则直接返回。

缓存层作为数据访问的前置环节，在高并发情况下可以减轻数据库的负担，降低系统故障的风险。因此，在使用缓存时需谨慎分析。在访问缓存数据时。

缓存处理的三种问题场景

常见的有以下三种场景：缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩。

缓存穿透

每次请求都无法在缓存中找到相应的数据，导致请求直接回源到数据库中，给数据库带来巨大的访问压力，甚至可能导致数据库宕机的现象。

原因

请求的数据根本不存在于缓存中，也是说当前访问数据永远不会写入缓存中。但恶意请求或者异常情况下持续发送这样的请求，导致缓存一直未命中，就相当于缓存层形同虚设，从而对数据库造成了巨大的访问压力。

措施

为了解决缓存穿透问题，可以采取以下几种措施：

1. 布隆过滤器（Bloom Filter）：采用bloom filter保存缓存过的key，因此可以快速判断请求的数据是否在缓存中，如果不在则可以直接过滤掉，避免对数据库的访问。
   
2. 缓存空值缓存：对于一些经常查询但是数据库中不存在的数据，可以将其在缓存中缓存为空值，这样当再次请求时可以直接命中缓存，避免了回源到数据库的操作，设置较短的失效时间。
   
3. 异常数据屏蔽：对于恶意请求或者异常情况下的请求，可以针对性地进行限流或者屏蔽，避免对数据库的过度访问。此外还可以针对业务场景对请求的参数进行有效性校验，防止非法请求击垮db。
   

综上所述，解决缓存穿透问题需要采取合适的技术手段，从而降低对数据库的访问压力，提高系统的稳定性和性能。

缓存击穿

某个热点数据的缓存失效时，大量并发请求直接访问数据库，导致数据库压力剧增，甚至造成存储层的崩溃现象。

原因

为了保证缓存数据的时效性，通常会设置一个失效时间，如果是热点key，高并发时会有海量请求直接越过缓存层到数据库，这样就会给数据库造成的负担增大，设置宕机。

场景

• 缓存失效：当某个热点数据的缓存过期或者被意外删除时，新来的请求无法命中缓存，需要直接访问数据库获取数据，造成大量请求到db层，击垮存储层。
  
• 高并发请求：大量的并发请求同一时刻涌入，都请求缓存中已失效的热点数据，导致数据库负载骤增。
  

措施

• 互斥锁（Mutex Lock） ：在缓存失效时，只允许一个线程（一般是第一个到达的线程）去查询数据库，其他线程等待查询结果并从缓存中获取数据。
  
• 热点数据预加载：针对可能会发生缓存击穿的热点数据，可以通过定时任务或者异步加载的方式，在缓存失效前提前将数据加载到缓存中，避免了缓存失效瞬间的高并发请求。
  
• 限流策略：对于大量并发的请求，可以通过限流策略来控制并发数量，避免所有请求同时涌入数据库。
  
• 使用备份机制：在缓存失效时，可以通过备份机制从数据库中获取数据，并将数据存储到缓存中，避免大量请求直接击穿到数据库。
  
• 缓存数据“永远不过期”：如果缓存数据不设置失效时间的话，就不会存在热点key过期造成了大量请求到数据库。但是，缓存数据就变成“静态数据”，因此当缓存数据快要过期时，采用异步线程的方式提前进行更新缓存数据。
  

通过以上措施的组合，可以有效地解决缓存击穿问题，降低数据库压力，提高系统的稳定性和性能。

缓存雪崩

在某一时刻，缓存中的多个key同时失效，导致大量的请求直接访问存储层（如数据库），从而造成数据库负担过重，甚至导致数据库宕机的情况。

原因

造成缓存雪崩的主要原因包括：

• 缓存失效时间设置不合理：如果缓存中的多个key的失效时间相同或者非常接近，那么它们很可能在同一时刻失效，导致大量的请求涌入存储层。
  
• 数据库宕机或网络故障：如果数据库出现宕机或者网络故障，此时缓存中的数据已经失效，无法及时从数据库中获取新的数据，从而导致大量请求直接访问数据库。
  

措施

解决缓存雪崩问题的核心原则是让多个key的失效时间分布更加均匀，避免集体失效的情况。可以采取以下措施：

• 设置合理的缓存失效时间：将缓存中的多个key的失效时间分散开，避免同时失效。可以使用随机值来设置失效时间，或者在失效时间上加入一些随机因素，使得失效时间分布更加均匀。
  
• 使用分布式缓存：将缓存数据分散存储在多个节点上，避免单点故障。当其中某个节点或者一部分节点出现问题时，其他节点可以继续提供服务。
  
• 数据预热：在高峰期到来之前，提前将热点数据加载到缓存中，避免在高峰期瞬时失效导致大量请求涌入存储层。
  
• 数据更新策略：在更新数据时，采取合适的策略，如异步更新、缓存和数据库同时更新等，避免在缓存失效时对数据库造成瞬时压力。
  
• 限流策略：对请求进行限流，控制并发访问数据库的数量，避免系统负荷过大。
  

综合以上措施，可以有效地减轻缓存雪崩带来的问题，提高系统的稳定性和可靠性。

总结

缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩是三个常见的缓存问题，容易混淆。下面是它们的简要总结：

• 缓存穿透：指的是请求访问不存在于缓存中的数据，而直接查询存储层（如数据库），这可能是攻击者利用业务漏洞攻击系统。解决方案的核心是过滤非法业务请求，与数据是否热点、缓存失效时间等因素无关。
  
• 缓存击穿：指的是热点数据的缓存失效，导致大量请求直接访问存储层（如数据库），造成数据库压力过大的问题。解决方案的核心是避免数据库的并发操作。
  
• 缓存雪崩：指的是多个缓存 key 同时失效，不一定与数据是否热点有关。解决方案的核心是让缓存 key 的失效时间分布更均匀，避免集体失效的情况。
  

要解决这些问题，可以采取相应的措施，例如进行合理缓存设置、使用互斥锁、热点数据预加载、限流策略等。通过综合应用这些解决方案，可以提高系统的性能、稳定性，避免缓存问题引发的系统崩溃或过载。