面试题：缓存设计之缓存穿透中等难度题

Question

请阐述缓存穿透产生的原因，并列举至少两种常见的防御措施，同时说明每种措施在实际应用中的优缺点。

Answer 1

缓存穿透产生原因

1. 查询不存在数据：应用程序请求查询一个在数据库和缓存中都不存在的数据。由于缓存中没有命中，就会直接查询数据库，而数据库也无此数据，每次这类请求都会穿过缓存直接打到数据库，当大量此类请求并发时，就会给数据库造成巨大压力，甚至导致数据库崩溃。

常见防御措施及优缺点

1. 布隆过滤器

   • 优点：
     • 高效性：布隆过滤器可以在内存中快速判断一个元素是否存在，时间复杂度接近常数级，对于大规模数据的快速过滤效果显著，能有效拦截大量不存在的数据请求，减少数据库压力。
     • 节省空间：相比于直接存储所有可能的键值，布隆过滤器通过位运算来表示数据，占用的内存空间非常小，适合海量数据场景。
   • 缺点：
     • 误判率：布隆过滤器存在一定的误判率，即可能会把不存在的数据误判为存在，但不会把存在的数据误判为不存在。这意味着仍可能有少量无效请求穿透到数据库。
     • 维护成本：如果数据动态变化频繁，如频繁新增或删除数据，布隆过滤器的维护成本较高，因为需要重新构建过滤器以保证准确性。

2. 缓存空值

   • 优点：
     • 实现简单：只需在数据库查询到不存在数据时，将空值（如null）也缓存起来，并设置一个较短的过期时间，实现起来代码改动较小，容易部署。
     • 即时生效：对于首次查询不存在的数据，能立即将其缓存，后续相同请求直接从缓存获取空值，避免重复查询数据库。
   • 缺点：
     • 缓存浪费：缓存空值会占用一定的缓存空间，如果此类不存在数据的请求较多，会浪费较多缓存资源。
     • 数据一致性：由于设置了过期时间，在过期后可能又会有请求穿透到数据库，并且如果数据库中数据发生变化（如原本不存在的数据后来插入了），但缓存空值未及时更新，可能导致短暂的数据不一致问题。