39.如何避免缓存”穿透”的问题？

缓存穿透

缓存穿透，是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写，并且处于容错考虑，如果从 DB 查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到 DB 去查询，失去了缓存的意义。

被动写：当从缓存中查不到数据时，然后从数据库查询到该数据，写入该数据到缓存中。

在流量大时，可能 DB 就挂掉了，要是有人利用不存在的 key 频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。如下图：

缓存穿透

缓存穿透

  • 在 [「为什么要用缓存？」 中，我们已经看到，MySQL 的性能是远不如 Redis 的，如果大量的请求直接打到 MySQL ，则会直接打挂 MySQL 。
  • 当然，缓存穿透不一定是攻击，也可能是我们自己程序写的问题，疯狂读取不存在的数据，又或者“无脑”的爬虫，顺序爬取数据。
  • 另外，一定要注意，缓存穿透，指的是查询一个不存在的数据，很容器和我们要讲到的缓存击穿搞混淆。

? 如何解决

有两种方案可以解决：

1）方案一，缓存空对象。

当从 DB 查询数据为空，我们仍然将这个空结果进行缓存，具体的值需要使用特殊的标识，能和真正缓存的数据区分开。另外，需要设置较短的过期时间，一般建议不要超过 5 分钟。

为什么要较短的过期时间？因为缓存久没有意义，也浪费缓存的内存。

2）方案二，BloomFilter 布隆过滤器。

在缓存服务的基础上，构建 BloomFilter 数据结构，在 BloomFilter 中存储对应的 KEY 是否存在，如果存在，说明该 KEY 对应的值不为空。那么整个逻辑的如下：

  • 1、根据 KEY 查询【BloomFilter 缓存】。如果不存在对应的值，直接返回；如果存在，继续向下执行。【后续的流程，就是标准的流程】
  • 2、根据 KEY 查询在【数据缓存】的值。如果存在值，直接返回；如果不存在值，继续向下执行。
  • 3、查询 DB 对应的值，如果存在，则更新到缓存，并返回该值。

可能有胖友不是很了解 BloomFilter 布隆过滤器，会有疑惑，为什么 BloomFilter 不存储 KEY 是不存在的情况（就是我们方案二反过来）？

  • BloomFilter 存在误判。简单来说，存在的不一定存在，不存在的一定不存在。这样就会导致，一个存在的 KEY 被误判成不存在。
  • 同时，BloomFilter 不允许删除。例如说，一个 KEY 一开始是不存在的，后来数据新增了，但是 BloomFilter 不允许删除的特点，就会导致一直会被判断成不存在。

当然，使用 BloomFilter 布隆过滤器的话，需要提前将已存在的 KEY ，初始化存储到【BloomFilter 缓存】中。

? 选择

这两个方案，各有其优缺点。

缓存空对象 BloomFilter 布隆过滤器
适用场景 1、数据命中不高 2、保证一致性 1、数据命中不高 2、数据相对固定、实时性低
维护成本 1、代码维护简单 2、需要过多的缓存空间 3、数据不一致 1、代码维护复杂 2、缓存空间占用小

实际情况下，使用方案二比较多。因为，相比方案一来说，更加节省内容，对缓存的负荷更小。

注意，常用的缓存 Redis 默认不支持 BloomFilter 数据结构。具体怎么解决，参考如下文章：

因为 BloomFilter 布隆过滤器存在的误判的情况，如果最后去 DB 查询不到数据的情况，是不是可以结合方案一，缓存空对象到【BloomFilter 缓存】中。后来想想，必要性不大，因为 BloomFilter 布隆过滤器误判率很低，没必要把方案复杂化，大道至简。

另外，推荐看下 《Redis架构之防雪崩设计：网站不宕机背后的兵法》 文章的 「一、缓存穿透预防及优化」 ，大神解释的更好，且提供相应的图和伪代码。