Redis缓存问题

Redis是什么?

Redis是一款开源的内存数据存储系统,它支持多种数据结构,如字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等。Redis将数据全部保留在内存中,因此读写速度快,是一款高性能的缓存系统。Redis还支持数据持久化,即将数据存储到磁盘中,以避免数据丢失。

Redis作为缓存系统的优势

高性能

Redis将数据全部加载到内存中,因此读写速度快,可以实现毫秒级的响应速度。

数据持久化

Redis支持数据持久化,将数据保存到磁盘中,即使发生宕机等问题,数据也不会丢失。

多种数据结构支持

Redis支持多种数据结构,可以存储字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等数据类型,可以满足不同的业务需求。

分布式集群

Redis支持分布式集群,可以实现数据分片,提高数据存储和读写的性能。

Redis作为缓存系统的应用场景

读多写少的场景

Redis适合处理读多写少的场景,因为Redis的读写速度非常快,可以实现毫秒级的响应速度。而写操作较少,即使数据出现丢失或者宕机等问题,也不会对业务产生过大的影响。

对数据实时性要求高的场景

Redis支持数据缓存,可以将热点数据存储在缓存中,提供实时的读取服务。对于实时性要求比较高的业务场景,Redis可以作为缓存系统使用。

大数据查询场景

Redis支持多种数据结构,可以存储集合、有序集合等结构类型的数据,可以快速查询和处理大量数据。

Redis缓存问题及解决方法

缓存穿透问题

缓存穿透是指请求的数据在缓存中不存在,但是却不断请求数据库,从而造成数据库的过度压力。缓存穿透可能是恶意攻击或者是业务数据异常等原因造成的。解决方法有两种:

使用布隆过滤器

布隆过滤器是一种空间效率比较高的随机数据结构,可以用于检测一个元素是否为集合中的成员。在缓存层面上,将所有可能查询的结果存储起来,并将每个结果对应一个布隆过滤器。当一个请求查询数据库时,先使用布隆过滤器判断对应结果是否存在,如果不存在,则直接返回空结果,避免不必要的数据库查询。

数据预热

数据预热是指在系统启动时将部分相关数据加载到缓存中,以提高缓存命中率。可以使用定时任务或者在系统启动时部分数据进行预热。

缓存雪崩问题

缓存雪崩是指在某一时刻大量缓存数据失效,导致请求直接落到数据库上,瞬间造成数据库压力过大,无法承受。解决方法有:

缓存数据过期时间随机化

将缓存数据的过期时间随机化,可以避免大量缓存数据同时失效的情况。

搭建分布式缓存集群

搭建分布式缓存集群,在多个节点上分布缓存数据,可以避免因为单个节点崩溃导致整个缓存系统瘫痪的情况。

缓存击穿问题

缓存击穿是指一个非常热门的key在缓存过期的一瞬间同时有大量的请求访问,这些请求需要重新查询数据库,可能会造成数据库过载等问题。解决方法有两种:

加锁

在缓存失效的时候,加锁防止大量的请求同时进行数据库查询。在加锁期间,只有一个线程去查询数据库,其他线程等待锁释放后再去缓存中查询结果。

数据预加载

将热门数据提前缓存到Redis中,提高缓存的命中率,减少因为缓存失效而查询数据库的次数。

Redis缓存示例代码

缓存穿透解决方案示例代码

使用布隆过滤器解决缓存穿透问题的示例代码:

@Slf4j
@Component
public class BloomFilterHelper {

    @Value("${spring.redis.host}")
    private String redisHost;

    @Value("${spring.redis.port}")
    private int redisPort;

    private BloomFilter bloomFilter;

    /**
     * 初始化布隆过滤器
     */
    @PostConstruct
    public void init() {
        Jedis jedis = null;
        try {
            jedis = new Jedis(redisHost, redisPort);
            boolean bloomExists = jedis.exists("bloom");
            if (!bloomExists) {
                int numHashFunctions = 32;
                int expectedInsertions = 10000000;
                double fpp = 0.01;
                bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.byteArrayFunnel(), expectedInsertions, fpp);
                jedis.set("bloom", SerializerUtil.serialize(bloomFilter));
                jedis.expire("bloom", 3600);
            } else {
                byte[] filterBytes = jedis.get("bloom".getBytes());
                bloomFilter = (BloomFilter) SerializerUtil.deserialize(filterBytes);
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 判断元素是否存在于集合中
     *
     * @param key       缓存key
     * @param element   元素名称
     * @return  返回是否存在于集合中
     */
    public boolean isExist(String key, String element) {
        if (bloomFilter == null) {
            init();
        }
        if (!bloomFilter.mightContain(element.getBytes())) {
            return false;
        }
        Jedis jedis = null;
        try {
            jedis = new Jedis(redisHost, redisPort);
            return jedis.sismember(key, element);
        } catch (Exception e) {
            log.error(e.getMessage());
            return false;
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
        }
    }

    /**
     * 将元素添加到集合中
     *
     * @param key       缓存key
     * @param element   元素名称
     */
    public void put(String key, String element) {
        if (bloomFilter == null) {
            init();
        }
        bloomFilter.put(element.getBytes());
        Jedis jedis = null;
        try {
            jedis = new Jedis(redisHost, redisPort);
            jedis.sadd(key, element);
        } catch (Exception e) {
            log.error(e.getMessage());
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
        }
    }
}

缓存雪崩解决方案示例代码

将缓存数据的过期时间随机化解决缓存雪崩问题的示例代码:

@Component
public class RedisHelper {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    private Random random = new Random();

    /**
     * 获取缓存数据,如果不存在,则先查询数据库填充缓存
     * 
     * @param key 缓存key
     * @param clazz 缓存内容的类型
     * @param supplier 查询数据库的过程
     * @param <T> 缓存内容的类型
     * @return 返回缓存内容
     */
    public <T> T getCache(String key, Class<T> clazz, Supplier<T> supplier) {
        ValueOperations<String, T> valueOps = redisTemplate.opsForValue();
        T cacheData = valueOps.get(key);
        if (cacheData == null) {
            // 随机设置过期时间,避免缓存同时失效
            int expireTime = random.nextInt(60) + 60;
            cacheData = supplier.get();
            valueOps.set(key, cacheData, expireTime, TimeUnit.SECONDS);
        }
        return cacheData;
    }
}

缓存击穿解决方案示例代码

加锁防止缓存击穿的示例代码:

@Slf4j
@Component
public class RedisLockHelper {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    /**
     * 加锁
     * 
     * @param lockKey 锁定的key
     * @param expire  锁的有效期
     * @return 返回是否加锁成功
     */
    public boolean lock(String lockKey, long expire) {
        String key = "lock:" + lockKey;
        ValueOperations<String, String> valueOps = redisTemplate.opsForValue();
        boolean lock = valueOps.setIfAbsent(key, "1");
        if (lock) {
            redisTemplate.expire(key, expire, TimeUnit.SECONDS);
        }
        return lock;
    }

    /**
     * 解锁
     * 
     * @param lockKey 锁定的key
     */
    public void unlock(String lockKey) {
        String key = "lock:" + lockKey;
        redisTemplate.delete(key);
    }
}

@Slf4j
@Service
public class DemoService {

    @Autowired
    private RedisLockHelper redisLockHelper;

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    /**
     * 获取数据,避免缓存击穿
     * 
     * @param id 数据id
     * @return 返回数据
     */
    public String getData(String id) {
        String cacheKey = "cache:data:" + id;
        String lockKey = "lock:data:" + id;
        ValueOperations<String, String> valueOps = redisTemplate.opsForValue();
        String cacheData = valueOps.get(cacheKey);
        if (cacheData == null) {
            // 尝试加锁
            boolean locked = redisLockHelper.lock(lockKey, 10);
            if (!locked) {
                try {
                    // 等待100ms重试
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    log.error(e.getMessage());
                }
                cacheData = getDataFromDB(id);
            } else {
                try {
                    cacheData = getDataFromDB(id);
                    valueOps.set(cacheKey, cacheData, 10, TimeUnit.MINUTES);
                } finally {
                    redisLockHelper.unlock(lockKey);
                }
            }
        }
        return cacheData;
    }

    private String getDataFromDB(String id) {
        // 查询数据库
        return "";
    }
}

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