面试题：缓存设计之缓存穿透问题及解决方法

Question

在后端开发与微服务架构融合的缓存设计中，缓存穿透是一个常见问题。请阐述什么是缓存穿透，可能会带来哪些危害，并说明至少两种解决缓存穿透问题的方案。

Answer 1

缓存穿透定义

缓存穿透指查询一个根本不存在的数据，由于缓存中没有，所以每次都会去数据库查询，若大量这样的请求，就会直接打到数据库，导致数据库压力骤增。

缓存穿透危害

1. 数据库压力增大：大量无效请求越过缓存直接访问数据库，可能使数据库负载过高，甚至导致数据库崩溃，影响整个系统的可用性。
2. 性能下降：系统响应时间变长，用户体验变差，严重时可能导致业务不可用。

解决缓存穿透方案

1. 布隆过滤器
   • 原理：布隆过滤器是一种概率型数据结构，它可以判断一个元素一定不存在或者可能存在。在系统初始化时，将数据库中所有数据的 key 存到布隆过滤器中。当有查询请求时，先经过布隆过滤器，若判断 key 不存在，则直接返回，不会查询数据库。
   • 优点：空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，能有效阻止大量无效请求到达数据库。
   • 缺点：存在误判率，即可能把本来不存在的 key 判断为存在，但可以通过调整布隆过滤器的参数来降低误判率。
2. 空值缓存
   • 原理：当查询数据库发现数据不存在时，也将这个 key 对应的空值缓存起来，并设置一个较短的过期时间。下次再查询同样的 key 时，缓存中存在空值，直接返回，避免再次查询数据库。
   • 优点：实现简单，能快速解决缓存穿透问题。
   • 缺点：会额外占用一定的缓存空间，并且设置过期时间需要权衡，时间过短可能导致缓存穿透再次出现，时间过长可能会影响数据的实时性。