面试题：Redis缓存穿透专家难度题

Question

当使用Redis和MySQL构建数据存储与缓存体系时，面对缓存穿透问题，若业务场景对数据一致性要求极高，同时需要考虑性能和资源消耗，如何设计一个综合性的解决方案，既能有效预防缓存穿透，又能保证数据的最终一致性？请详细说明架构设计、数据同步机制以及应对极端情况下（如Redis集群故障、MySQL主从切换等）的处理策略。

Answer 1

架构设计

1. 缓存层：使用Redis作为缓存，采用集群部署方式提高可用性和性能。在缓存中设置合理的过期时间，对于热点数据可以适当延长过期时间。
2. 存储层：以MySQL作为数据存储，采用主从架构保证数据的高可用性和读写分离，提高读取性能。
3. 布隆过滤器：在缓存和存储层之间引入布隆过滤器。布隆过滤器用于快速判断某个键是否存在于数据库中。当请求到达时，先查询布隆过滤器，如果判断不存在，则直接返回，不再查询缓存和数据库，有效防止大量不存在数据的请求穿透到数据库。

数据同步机制

1. 双写模式：当数据发生变化时，先更新MySQL数据库，然后再更新Redis缓存。这样可以保证数据在数据库中的持久性，同时尽快更新缓存，使缓存数据保持最新。
2. 异步更新：为了提高性能，可以采用异步更新的方式。例如，使用消息队列（如Kafka）。在更新MySQL成功后，发送一条消息到消息队列，由消息队列的消费者负责更新Redis缓存。这种方式可以避免因更新缓存失败导致的业务阻塞，同时保证数据的最终一致性。

极端情况处理策略

1. Redis集群故障：
   • 故障检测：使用Redis Sentinel或Redis Cluster的内置机制进行故障检测。一旦发现某个节点故障，自动进行故障转移。
   • 缓存重建：当Redis集群恢复后，需要重建缓存。可以采用两种方式，一是启动时全量加载数据库数据到缓存；二是在请求时，发现缓存缺失，从数据库加载并回种到缓存。为了避免大量请求同时穿透到数据库，可以采用限流和分布式锁的方式，保证同一时间只有少量请求去加载数据库数据。
2. MySQL主从切换：
   • 切换感知：应用程序可以通过数据库中间件（如MyCat、ShardingSphere等）感知MySQL主从切换。中间件会自动调整读写路由，将写请求切换到新的主库，读请求切换到从库。
   • 数据同步修复：主从切换可能会导致数据短暂不一致，需要通过MySQL的自动同步机制来修复。同时，应用程序在切换后一段时间内可以适当增加缓存的过期时间，减少对数据库的读取压力，等待数据同步完成，保证数据最终一致性。