面试题：缓存设计之高级难度：缓存穿透、雪崩和击穿在API网关场景下的应对策略

Question

在缓存与API网关协同工作时，缓存穿透、雪崩和击穿问题可能严重影响系统性能。请详细描述这三个问题在API网关场景下是如何产生的，并分别说明你会采取哪些具体措施来应对这些问题，包括但不限于缓存策略调整、网关配置优化等方面。

Answer 1

缓存穿透

1. 产生原因：
   • 在API网关场景下，缓存穿透指的是客户端请求的数据在缓存和数据库中都不存在。比如恶意用户不断请求一个不存在的商品ID，每次请求都会绕过缓存直接查询数据库。由于缓存中没有该数据，数据库中也没有，所以每次请求都会给数据库带来压力，如果这类请求量很大，可能会导致数据库不堪重负甚至崩溃。
2. 应对措施：
   • 布隆过滤器：在API网关入口处使用布隆过滤器。布隆过滤器可以快速判断一个数据是否存在。当请求到达网关时，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，直接返回，不再查询数据库。例如，在电商场景下，对商品ID构建布隆过滤器，对于明显不存在的商品ID请求直接拦截。
   • 空值缓存：当数据库查询结果为空时，也将这个空结果缓存起来，并设置较短的过期时间。这样下次相同请求到达时，虽然数据不存在，但可以从缓存中获取空值，避免查询数据库。比如查询一个不存在的用户信息，将空值缓存5分钟。

缓存雪崩

1. 产生原因：
   • 在API网关场景下，缓存雪崩是指大量的缓存数据在同一时间过期失效。例如，由于缓存服务器重启或者缓存的过期时间设置不合理，导致大量缓存数据同时过期。此时大量请求会直接穿透到数据库，数据库瞬间承受巨大压力，可能导致数据库服务不可用，进而影响整个系统的正常运行。
2. 应对措施：
   • 随机过期时间：避免设置统一的缓存过期时间，而是在一个合理的时间区间内设置随机的过期时间。比如原本设置所有缓存过期时间为1小时，可以改为在50分钟到70分钟之间随机设置过期时间。这样可以分散缓存过期的时间点，降低大量缓存同时过期的风险。
   • 缓存预热：在系统上线或者缓存重建时，提前将一些热点数据加载到缓存中，并设置不同的过期时间。这样可以避免系统启动后大量请求同时查询数据库，减少缓存雪崩的可能性。例如，电商系统上线时，提前将热门商品信息加载到缓存。
   • 多级缓存：采用多级缓存架构，比如本地缓存（如Guava Cache）和分布式缓存（如Redis）结合。当分布式缓存出现雪崩时，本地缓存可以继续提供服务，减轻数据库压力。

缓存击穿

1. 产生原因：
   • 在API网关场景下，缓存击穿是指一个热点数据在缓存中过期的瞬间，大量针对该数据的请求同时到达。由于缓存过期，这些请求都会直接查询数据库，给数据库带来很大压力。例如，某热门商品的缓存刚刚过期，而此时恰好有大量用户同时请求该商品信息，就会导致缓存击穿问题。
2. 应对措施：
   • 互斥锁：在缓存过期时，使用互斥锁（如Redis的SETNX命令实现）来保证只有一个请求可以查询数据库并更新缓存。其他请求等待锁释放后直接从缓存获取数据。例如，当热门商品缓存过期时，第一个请求获取锁并查询数据库更新缓存，其他请求等待锁，等锁释放后从缓存获取数据。
   • 永不过期：对于热点数据设置永不过期，同时通过后台线程定期更新缓存数据。比如定期在凌晨低峰期对热门商品信息进行更新，保证数据的实时性，同时避免缓存击穿问题。