面试题：Redis与MySQL结合下大数据量查询场景的并发控制

Question

当大量并发请求同时访问Redis和MySQL进行数据查询时，可能会出现缓存击穿、缓存雪崩等问题。请详细说明这些问题产生的原因，并提出至少两种有效的解决方案，且说明每种方案在实际应用中的优缺点。

Answer 1

缓存击穿问题

1. 产生原因：
   • 大量并发请求同时查询一个在Redis中过期但在MySQL中存在的数据。此时，缓存中没有该数据，所有请求都直接穿透到数据库，导致数据库瞬间承受巨大压力，可能引发数据库性能问题甚至崩溃。
2. 解决方案及优缺点：
   • 方案一：使用互斥锁（Mutex）
     • 实现方式：在缓存失效时，先获取一个互斥锁（如Redis的SETNX命令），只有获取到锁的请求才能去数据库查询数据并回设到缓存，其他请求等待。获取锁的请求完成后释放锁。
     • 优点：简单有效，能防止大量请求同时穿透到数据库。
     • 缺点：增加了锁的开销，可能会导致其他请求等待时间过长，降低系统并发性能。如果获取锁的请求在数据库查询时出现异常，未能及时释放锁，可能会造成死锁，影响后续请求。
   • 方案二：永不过期策略
     • 实现方式：在Redis中设置数据时，不设置过期时间，同时在应用层启动一个异步线程，定期对数据进行更新。或者使用逻辑过期，即数据中存储一个过期时间字段，每次读取数据时判断是否逻辑过期，若过期则异步更新数据。
     • 优点：避免了缓存过期瞬间大量请求穿透到数据库的问题，系统并发性能较好。
     • 缺点：如果异步更新不及时，可能会导致数据长时间不一致。对于逻辑过期，每次读取都要增加判断逻辑，增加了应用层的复杂度。

缓存雪崩问题

1. 产生原因：
   • 大量的缓存数据在同一时间过期，或者Redis服务发生故障，此时大量请求无法从缓存获取数据，全部转向数据库，使数据库压力剧增，可能导致数据库崩溃，进而影响整个系统的可用性。
2. 解决方案及优缺点：
   • 方案一：设置随机过期时间
     • 实现方式：在设置缓存过期时间时，不采用固定的过期时间，而是设置一个随机的过期时间范围。例如，原本过期时间为1小时，现在设置为50分钟到70分钟之间的随机值。这样可以避免大量缓存同时过期。
     • 优点：简单易实现，能有效分散缓存过期时间，降低缓存雪崩发生的概率。
     • 缺点：不能完全避免缓存雪崩，如果在某一时间段内，过期的缓存数量仍较多，数据库仍可能承受较大压力。而且对于一些需要精确过期控制的数据不太适用。
   • 方案二：使用多级缓存
     • 实现方式：构建多级缓存架构，如一级缓存使用Redis，二级缓存可以使用本地缓存（如Guava Cache）。当一级缓存失效时，先从二级缓存获取数据，如果二级缓存也没有则查询数据库。同时，更新缓存时先更新一级缓存，再更新二级缓存。
     • 优点：多级缓存可以在一定程度上缓解数据库压力，即使一级缓存大量失效，二级缓存也能拦截部分请求。而且本地缓存的访问速度快，能提高系统整体响应速度。
     • 缺点：增加了系统架构的复杂性，需要管理多级缓存的一致性。如果二级缓存数据更新不及时，可能会出现数据不一致问题。同时，本地缓存受内存限制，存储的数据量有限。
   • 方案三：缓存高可用
     • 实现方式：采用Redis集群（如Redis Sentinel或Redis Cluster）来提高Redis的可用性。如果某个节点发生故障，其他节点可以继续提供服务，减少因Redis服务故障导致缓存雪崩的风险。
     • 优点：提高了Redis的可用性，能有效应对Redis单点故障问题，保障系统的稳定性。
     • 缺点：增加了运维成本，需要管理和维护Redis集群。并且集群之间的数据同步可能存在延迟，可能会影响数据一致性。