面试题：缓存设计：如何在缓存系统与列式存储数据库协同中处理缓存穿透问题

Question

在缓存系统与列式存储数据库协同工作场景下，假设大量请求访问缓存和数据库中都不存在的数据，从而导致大量请求直接打到数据库，造成缓存穿透现象。请描述至少两种可以有效防止缓存穿透的方法及其具体实现思路。

Answer 1

方法一：布隆过滤器（Bloom Filter）

1. 原理：布隆过滤器是一种概率型数据结构，它可以高效地判断一个元素是否存在于一个集合中。它通过多个哈希函数将元素映射到一个位数组的不同位置，然后将这些位置置为1。当判断一个元素是否存在时，检查这些位置是否都为1，如果有一个不为1，则元素一定不存在；如果都为1，则元素可能存在。
2. 实现思路：
   • 在数据库数据加载到缓存的同时，将数据的键值通过布隆过滤器进行处理，将对应位置置为1。
   • 当有请求到来时，先通过布隆过滤器判断请求的数据是否可能存在。如果布隆过滤器判断不存在，则直接返回，不再访问数据库；如果判断可能存在，再去访问缓存和数据库。

方法二：缓存空值

1. 原理：对于数据库中不存在的数据，在缓存中设置一个空值，这样后续相同的请求就不会穿透到数据库。
2. 实现思路：
   • 当请求访问缓存和数据库都未找到数据时，在缓存中设置一个空值，例如可以设置一个特殊的标识（如“null”），并设置一个较短的过期时间，防止占用过多缓存空间。
   • 后续相同请求到来时，先访问缓存，若获取到空值标识，则直接返回，不再访问数据库。