面试题：缓存设计 - 缓存穿透问题及解决方案

Question

在后端开发中，缓存穿透是常见的问题，请阐述什么是缓存穿透，它可能带来的危害，并列举至少两种常见的解决方案及其原理。

Answer 1

缓存穿透定义

缓存穿透指客户端请求的数据在缓存和数据库中都不存在，每次请求都会直接穿透到数据库，导致数据库压力增大。

可能带来的危害

1. 数据库压力剧增：大量无效请求直接访问数据库，可能使数据库性能下降甚至崩溃。
2. 服务可用性降低：数据库压力过大可能导致响应变慢，影响整个服务的可用性，引发连锁反应影响其他业务。

常见解决方案及其原理

1. 布隆过滤器
   • 原理：布隆过滤器是一种概率型数据结构，它由一个位数组和多个哈希函数组成。当一个元素加入布隆过滤器时，通过多个哈希函数将该元素映射到位数组的不同位置并置为1。查询时，对元素进行相同的哈希计算，若对应位置不全为1，则该元素一定不存在；若全为1，则该元素大概率存在。在缓存穿透场景下，在请求到达数据库前，先经过布隆过滤器判断，如果过滤器判定不存在，则直接返回，不再查询数据库，避免无效请求穿透到数据库。
2. 缓存空值
   • 原理：当查询数据库发现数据不存在时，将空值（如null）也存入缓存，并设置一个较短的过期时间。后续相同请求先查询缓存，发现为空值直接返回，避免再次查询数据库。较短过期时间是为了防止数据新增后，缓存中仍为空值而无法获取新数据。