面试题：缓存设计在高并发下的一致性

Question

在高并发场景下，如何保证缓存与数据库数据的一致性？请分析读写并发情况下可能出现的不一致问题，并提出相应的解决方案，同时说明每种方案的优缺点。

Answer 1

读写并发下不一致问题分析

1. 读操作先于写操作：
   • 问题：读操作从缓存中读取到旧数据，而此时写操作已经在数据库中更新了数据。例如，商品库存，读操作获取到旧的库存数量，而写操作已经减少了库存。
   • 原因：缓存更新不及时，读操作在缓存更新前执行。
2. 写操作先于读操作：
   • 问题：写操作更新了数据库，但由于网络延迟等原因，缓存未能及时更新，读操作从缓存中读取到旧数据。比如，用户修改了个人信息，数据库已更新，但缓存中仍是旧信息。
   • 原因：缓存更新机制存在延迟或失败。

解决方案及优缺点

1. 先更新数据库，再更新缓存：
   • 实现：业务逻辑中，先执行数据库的更新操作，成功后再更新缓存。
   • 优点：实现相对简单，符合常规逻辑。
   • 缺点：在高并发下，如果更新缓存失败，会导致数据不一致。而且在更新数据库和更新缓存之间有短暂时间窗口，可能读到旧缓存数据。
2. 先删除缓存，再更新数据库：
   • 实现：业务逻辑先删除缓存数据，然后更新数据库。
   • 优点：避免了更新缓存失败导致的数据不一致问题，因为后续读操作会重新从数据库加载数据到缓存。
   • 缺点：在高并发场景下，可能出现缓存击穿问题。即一个写操作删除缓存后，读操作在数据库更新前执行，会从数据库读取旧数据并重新写入缓存，导致缓存中数据与数据库不一致。
3. 先更新数据库，再删除缓存：
   • 实现：业务逻辑先更新数据库，成功后删除缓存。
   • 优点：这是比较常用的方案，相对平衡。避免了先更新缓存失败的问题，同时相比先删除缓存再更新数据库，减少了缓存击穿的概率，因为数据库已更新，即使读操作先于缓存删除执行，后续缓存删除后读操作也会从数据库获取新数据。
   • 缺点：在高并发下，写操作和读操作同时进行时，可能会读到旧的缓存数据，存在短暂的数据不一致窗口。但这个窗口时间较短，而且随着缓存过期机制，数据最终会一致。
4. 使用队列或消息中间件：
   • 实现：将读写操作发送到队列或消息中间件，由队列按顺序处理，确保读写操作的顺序性。例如，将写操作的更新数据库和删除缓存步骤封装成消息发送到消息队列，消息队列按顺序处理消息。
   • 优点：可以有效保证数据一致性，通过顺序处理读写操作，避免了并发带来的不一致问题。
   • 缺点：引入了额外的中间件，增加了系统的复杂性和维护成本，同时可能会带来性能损耗，因为消息处理有一定的延迟。
5. 缓存双写：
   • 实现：在写操作时，同时更新主缓存和备用缓存，读操作先从主缓存读取，若读不到再从备用缓存读取，备用缓存数据定期同步到主缓存。
   • 优点：可以在一定程度上保证数据一致性，即使主缓存更新失败，备用缓存可能有最新数据。
   • 缺点：增加了缓存维护成本，需要管理两个缓存，并且同步备用缓存到主缓存也存在一定的复杂性和延迟。