面试题：缓存设计中缓存穿透的深度分析与优化方案

Question

在高并发场景下，假设已经采用了布隆过滤器来应对缓存穿透，但还是出现了少量穿透现象，请分析可能的原因，并提出进一步优化的方案，需要详细说明方案的可行性及实现细节。

Answer 1

可能原因分析

1. 布隆过滤器误判：布隆过滤器存在一定误判率，虽然误判率较低，但在高并发大量请求下，误判的情况仍可能发生，导致少量穿透。
2. 数据更新未同步：当数据库中的数据被删除后，如果布隆过滤器未能及时同步更新，后续针对已删除数据的请求仍可能穿透。
3. 缓存失效问题：缓存中数据过期，在高并发下，大量请求同时发现缓存缺失，可能在布隆过滤器误判的基础上，出现少量穿透。

进一步优化方案

1. 双层布隆过滤器
   • 可行性：通过构建两层不同误判率的布隆过滤器，外层布隆过滤器使用较低的误判率以初步过滤大部分不存在的数据，内层布隆过滤器使用更高精度（更低误判率）来进一步过滤。这样可以显著降低误判带来的穿透，且两层结构不会带来过高的复杂度和资源消耗。
   • 实现细节：在应用层，当请求到来时，先经过外层布隆过滤器判断，如果不存在则直接返回；若外层判断存在，再经过内层布隆过滤器判断。当有新数据写入数据库时，同时更新两层布隆过滤器。
2. 布隆过滤器与缓存数据联动更新
   • 可行性：确保布隆过滤器与缓存数据的一致性，当数据库数据发生变化时，及时更新布隆过滤器和缓存，避免因数据不一致导致的穿透。
   • 实现细节：可以采用数据库的事务机制或者消息队列。以消息队列为例，当数据库执行删除或更新操作后，发送一条消息到消息队列，消息消费者接收到消息后，更新布隆过滤器和缓存。这样能保证数据的一致性，减少穿透。
3. 缓存空值并设置短过期时间
   • 可行性：对于布隆过滤器误判导致查询数据库不存在的数据，在缓存中设置一个空值，并设置一个较短的过期时间。这样在短时间内再次请求相同不存在的数据时，直接从缓存中返回空值，减少穿透到数据库的请求。
   • 实现细节：在应用层，当通过布隆过滤器判断数据可能存在但数据库查询不存在时，在缓存中设置一个如“null”的空值，并设置例如1分钟的过期时间。后续请求该数据时，先从缓存中获取，若为空值直接返回，避免穿透到数据库。