掌握高并发、高可用架构

第三章 分布式

本章介绍分布式架构的底层技术。主要说明面试过程中可能被问到的技术点。

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第四节 缓存

缓存穿透 缓存学雪崩 redis Memcached Guava

1. 缓存使用中的几个问题

• 缓存穿透：查询缓存和数据库中一定不存在的数据时，每次查询都是直接到数据库的，这种现象称为缓存穿透

  此时，如果有大量的请求时，会对数据库造成直接冲击，甚至会导致崩溃

  1. 缓存空数据
  2. 使用BloomFilter（布隆过滤器），即缓存数据库中所有存在的Key

• 缓存雪崩：缓存服务器宕机了，那么所有查询直接落在数据库，对数据库造成巨大压力

  1. 使用缓存集群，增大可用性
  2. 本地缓存
  3. 使用Hystrix（熔断器），它通过熔断、降级、限流三个手段来降低雪崩造成的损失
  4. 持久化机制

• 热点数据集中失效：本身大批量数据同时失效对Redis服务器也会造成影响，可能会出现慢的情形；再者失效期间，所有的用户请求都会落到数据库上，也会对数据库造成巨大的压力

  1. 使用互斥锁，当发现缓存失效后，第一个请求加锁，然后去查询数据库，把数据存入缓存，这个操作只有一次，其他的请求都是阻塞的，查询执行完成后释放锁，此时已经有了缓存数据，也不会对数据库造成压力了
  2. 对热点数据设置不同的失效时间，加上时间戳

2. Redis的数据结构

• string

  Redis的最基本的数据结构，可以包含任意数据。一个key对应一个string的value。string类型是二进制安全的。每个string的value最大可以512M
  支持的方法：set、get、mset、mget、setex、setnx

• list

  列表，一个简单的字符串列表，按照插入的顺序排序，可以向头部（左边）或尾部（右边）添加数据，底层是链表
  支持的方法：lpush、lpushx、lpop、lrange、lset、lindex、llen、rpush、rpop

• set

  string的无序集合
  支持的方法：sadd、scard、sdiff、sinter、sunion、sismember、smembers

• zset（sorted set）

  sorted set有序集合，也是string的集合，但是有序的
  支持的方法：zadd、zcard

• hash

  hash是一个键值对集合，是一个string类型的key（这里叫做field）和value的映射表，key相当于hash的名字，类似于Java中的Map>
  支持的方法：hset、hget、hdel、hexists、hkeys、hlen、hgetall

  3. Redis适合的场景

  • 会话缓存（Session Cache）
  • 全页缓存（FPC）
  • 队列，利用list数据结构
  • 排行榜/计时器，利用zset
  • 发布/订阅系统

  4. Redis处理并发竞争问题

  Redis采用单进程单线程模式，本身没有锁的概念，其对于多个客户端访问不存在并发的问题

  通过jedis客户端进行并发访问时会出现连接超时、数据转换错误、阻塞等，通过以下方式解决：

  • 客户端与Redis通信时，可以对连接进行池化，每个对Redis的读写操作均采用synchronized
  • 服务器端可以使用setnx

  5. Redis设置过期时间

  • 在set key的时候，可以指定expire time，也就是过期时间
  • Jedis有单独的expire方法

  redis通过定期删除和惰性删除来删除过期的key

  • 定期删除，Redis每隔100ms就随机抽取一些设置了过期时间的key，检查其是否过期，如果过期就删除。因为数据量巨大，遍历全部key不现实，太耗CPU，所以是随机的
  • 惰性删除，发起查看key时，会查看key是否过期，如果过期则删除

  只靠这两种机制还是删除不完全的，此时就需要内存淘汰机制了

  6. Redis内存淘汰机制（如何保证热点）

  • volatile-lru：从已设置过期时间的数据集合（server.db[i].expires）挑选最近最少使用的数据淘汰
  • volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集合中挑选将要过期的数据淘汰
  • volatile-random：从已设置过期时间的数据集合中随机挑选数据删除
  • allkeys-lru：在键空间中挑选最少使用的数据淘汰（这种策略最常用）
  • allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中随机淘汰
  • no-eviction：禁止淘汰数据，当写入数据时报错处理

  4.0新增

  • volatile-lfu：从已设置过期时间的集合中挑选最不常用的数据淘汰
  • allkeys-lfu：在键空间中挑选最不常用的数据淘汰

  7. Redis的持久化策略

  支持两种持久化策略：一种是快照（snapshotting，RDB），另一种是只追加文件（append-only file，AOF）

  • 快照持久化（RDB），通过创建快照来存储在内存里的数据在某个时间点的副本；创建快照之后，可以对快照进行备份，可以将快照复制到其他服务器，还可以留在本地

  是默认的持久化方式。在redis.conf中有以下配置

  save 900 1 #在900秒（15分钟）之后，如果至少有1个key发生变化，就会触发BFSAVE创建快照
  save 300 10 #在300秒（5分钟）之后，如果至少有10个key发生变化，就会触发BFSAVE创建快照
  save 60 10000 #在60秒（1分钟）之后，如果至少有10000个key发生变化，就会触发BFSAVE创建快照

  • AOF（append-only file），AOF的实时性更好，默认没有开启，通过以下设置进行开启

  appendonly yes

  开启AOF后，每执行一条更改数据的命令，Redis就将该命令写入硬盘中的AOF文件

  在redis.conf中有三种不同的AOF配置

  appendfsync always #每次更改数据都会写入AOF文件，这会严重降低Redis的性能
  appendfsync everysec #每秒同步一次，将多个命令同步到磁盘
  appendfsync no #由操作系统决定何时同步

  8. Redis事务

  通过MULTI，EXEC，WATCH等命令来实现事务功能

  9. Redis的分布式锁

  通过setnx实现

  10. Redis与Memcached的区别

  • Redis支持丰富的数据结构，Memcached仅支持字符串
  • Redis支持持久化，Memcached不支持
  • Redis支持主从、哨兵、Cluster的集群模式，Memcached没有
  • Redis是单线程多路IO复用模型，Memcached是多线程非阻塞IO复用模型

  11. Redis的集群

  • 主从模式

  主数据库（master）和从数据库（slave）

  • 主数据库进行读写操作，当数据发生变化时会自动同步到从数据库
  • 从数据库是只读的

  • 一个master对应多个slave，一个slave只能有一个master

  • 哨兵模式

  哨兵的作用是监控Redis系统的运行情况

  • 监控主从是否正常运行
  • master出现故障时，自动将slave转换为master
  • 多哨兵之间也会互相监控

  • 多个哨兵监控一个master

  • 集群模式

  只要将每个节点的cluster-enable配置打开即可，每个集群最少三个节点

Memecached

选择Memcached的理由：简单

本地缓存：Ehcache、Guava

Redis和Memcached的区别

1. Redis支持的数据结构更丰富
2. Redis支持持久化，Memcached不支持
3. Memcached没有原生的集群模式，而Redis有主从、哨兵、集群
4. Memcached是多线程、非阻塞IO复用的网络模型，Redis是单线程多路IO复用的网络模型