面试题：缓存设计之Redis资源管理与高并发

Question

当多个应用实例同时高并发访问Redis缓存时，如何通过合理的资源管理和配置，避免缓存雪崩和缓存穿透问题，同时优化内存使用？请详细阐述策略和可能用到的Redis命令及配置。

Answer 1

避免缓存雪崩策略

1. 设置不同过期时间：避免大量缓存同时过期，通过在原过期时间基础上增加一个随机时间偏移量，如使用 EXPIRE key seconds 命令设置过期时间时，seconds 为原本过期时间加上一个较小的随机值（例如1 - 10秒）。这样不同实例设置的过期时间就会分散开，不会集中失效。
2. 使用二级缓存：当一级缓存失效时，先从二级缓存读取数据。二级缓存可以使用本地缓存（如Guava Cache等），它的优点是访问速度快且不依赖网络。在一级缓存失效后，先从本地缓存获取数据，如果没有再去查询数据库并更新两级缓存。
3. 互斥锁：在缓存失效时，通过 SETNX key value 命令获取互斥锁，只有获取到锁的实例才能去查询数据库并更新缓存，其他实例等待一段时间后重试获取缓存。当获取锁的实例更新完缓存后，使用 DEL key 命令释放锁。这样可以防止大量实例同时查询数据库。

避免缓存穿透策略

1. 布隆过滤器：在查询数据前，先通过布隆过滤器判断数据是否存在。布隆过滤器可以用 bf.add key element 命令添加元素，用 bf.exists key element 命令判断元素是否存在。如果布隆过滤器判断数据不存在，就直接返回，不再查询数据库，从而避免查询不存在的数据穿透到数据库。
2. 缓存空值：当查询数据库发现数据不存在时，仍然在缓存中设置一个空值，并设置较短的过期时间。这样下次查询同样的数据时，直接从缓存中获取空值，不会穿透到数据库。使用 SET key "" EX seconds 命令设置空值及过期时间。

优化内存使用策略

1. 合理设置数据结构：根据数据特点选择合适的数据结构，例如，如果数据是简单的键值对，使用 SET key value 命令存储；如果是需要排序的集合，使用 ZADD key score member 命令创建有序集合。避免使用不必要的复杂数据结构导致内存浪费。
2. 内存淘汰策略：在Redis配置文件（redis.conf）中设置合适的内存淘汰策略，如 maxmemory-policy allkeys-lru 表示当内存达到设置的 maxmemory 时，使用LRU（最近最少使用）算法淘汰所有键。还可以选择 volatile-lru（只淘汰设置了过期时间的键）、allkeys-random（随机淘汰所有键）等策略。
3. 定期清理无用数据：通过 DEL key 命令及时删除不再使用的数据，释放内存。可以结合业务逻辑，在数据不再使用时立即删除，或者定期扫描删除过期或无用的数据。