面试题：缓存设计：Redis缓存雪崩应对策略

Question

假设大量的缓存数据在同一时间过期，导致系统瞬间大量请求直接打到数据库，即缓存雪崩问题。阐述在后端开发中，针对Redis的缓存雪崩，有哪些有效的预防和应对策略，并分析每种策略的优缺点。

Answer 1

预防和应对策略及优缺点分析

1. 设置随机过期时间
   • 策略：在设置缓存过期时间时，不使用固定的过期时间，而是设置一个随机的过期时间范围，例如原本过期时间为60分钟，现在设置为55 - 65分钟之间的随机值。这样可以避免大量缓存同时过期。
   • 优点：实现简单，无需引入额外复杂的机制，能有效分散缓存过期时间，降低缓存雪崩的风险。
   • 缺点：只是降低风险，无法完全杜绝缓存雪崩情况。如果系统流量波动较大，可能仍然无法应对短时间内大量缓存过期的情况。
2. 使用二级缓存
   • 策略：采用两层缓存结构，如第一层使用Redis，第二层可以使用本地缓存（如Guava Cache）。当请求到达时，先从本地缓存获取数据，如果没有命中再从Redis获取。从Redis获取到数据后，同时放入本地缓存。当Redis中的缓存过期时，由于本地缓存的存在，部分请求仍可从本地缓存获取数据，不会直接打到数据库。
   • 优点：能在一定程度上缓解数据库压力，因为即使Redis缓存过期，本地缓存还能提供部分数据。并且本地缓存读取速度更快，能提升系统整体性能。
   • 缺点：增加了系统复杂度，需要管理两级缓存的一致性，如数据更新时需要同时更新两级缓存。同时本地缓存存在内存限制，不能缓存大量数据。
3. 缓存过期时间续约
   • 策略：在业务代码中监听缓存过期事件，当某个缓存即将过期时，开启一个异步任务去续约该缓存的过期时间，例如在过期前10分钟进行续约操作。
   • 优点：能保证关键数据的缓存一直有效，极大地降低缓存雪崩的可能性，并且对业务侵入相对较小。
   • 缺点：需要额外的监听和异步任务处理机制，增加了系统的复杂性。如果异步任务处理不当，可能会出现续约失败的情况。同时，续约操作可能会导致Redis的过期时间管理变得复杂。
4. 使用互斥锁
   • 策略：当缓存过期后，在多个请求尝试读取数据并重建缓存时，只允许一个请求去查询数据库并更新缓存，其他请求等待。可以使用Redis的SETNX（SET if Not eXists）命令实现互斥锁。获取锁的请求去查询数据库并更新缓存，释放锁后，其他等待的请求从缓存中获取数据。
   • 优点：能有效防止大量请求同时查询数据库，避免数据库瞬间压力过大。实现相对简单，基于Redis的基本命令即可完成。
   • 缺点：可能会导致部分请求等待时间过长，影响系统的响应性能。而且如果锁的释放逻辑处理不当，可能会出现死锁问题，导致其他请求一直等待。
5. 服务熔断与降级
   • 策略：在系统架构层面，引入服务熔断和降级机制。当检测到数据库压力过大，如数据库连接池耗尽、响应时间过长等情况时，触发服务熔断，暂时停止对数据库的请求，直接返回降级数据，如默认值、缓存中的旧数据等。等数据库压力恢复后，再恢复正常请求。
   • 优点：能保证系统在极端情况下的可用性，避免数据库被压垮导致整个系统崩溃。同时可以通过灵活配置降级策略，根据业务场景返回合适的数据。
   • 缺点：可能会返回非最新数据，影响业务准确性。并且需要额外的熔断和降级控制组件，增加系统架构复杂度，配置不当可能导致误熔断或降级不合理的情况。