面试题：分布式系统中分布式缓存的雪崩、穿透和击穿问题及解决方案

Question

在分布式系统中使用分布式缓存时，缓存雪崩、穿透和击穿是常见且棘手的问题。请详细描述这三个问题产生的原因，并分别给出至少两种有效的解决方案，同时分析不同方案在实际应用中的优缺点。

Answer 1

缓存雪崩

1. 产生原因：
   • 大量缓存数据在同一时间过期，导致这些数据的请求同时绕过缓存直接访问数据库，瞬间给数据库带来巨大压力，可能使数据库崩溃。比如电商大促活动后，大量商品的缓存同时过期，后续对商品信息的请求都直接落到数据库上。
2. 解决方案及优缺点：
   • 方案一：设置不同的过期时间
     • 优点：简单易行，不需要引入额外复杂的系统或技术。通过随机设置缓存过期时间，避免大量缓存同时过期，能有效减轻数据库瞬间压力。
     • 缺点：不能完全避免缓存雪崩问题，只是降低其发生概率。并且如果随机范围设置不合理，仍可能有较多缓存集中在某个时间段过期。
   • 方案二：使用二级缓存
     • 优点：当一级缓存失效时，二级缓存可以作为备用，继续提供数据服务，进一步降低对数据库的访问压力。同时在一定程度上可以提高系统的容错性和可用性。
     • 缺点：增加了系统的复杂性和维护成本，需要额外管理二级缓存的存储、更新等操作。并且会占用更多的内存等资源。
   • 方案三：加锁排队
     • 优点：当缓存失效时，通过加锁让请求排队，依次去查询数据库并更新缓存，确保同一时间只有一个请求访问数据库，避免大量请求同时压垮数据库。
     • 缺点：性能会受到一定影响，因为请求需要排队等待，会增加响应时间。如果锁粒度控制不好，可能出现死锁等问题。

缓存穿透

1. 产生原因：
   • 应用程序请求的数据在缓存和数据库中都不存在，导致请求每次都绕过缓存直接访问数据库。恶意攻击者可能利用这种情况，使用不存在的 key 频繁请求，使数据库压力过大甚至宕机。例如查询一个不存在的商品 ID 对应的商品信息。
2. 解决方案及优缺点：
   • 方案一：布隆过滤器
     • 优点：能高效判断数据是否存在，在请求访问数据库前，通过布隆过滤器快速过滤掉不存在的数据请求，极大减少对数据库的无效访问。空间效率和查询时间都远远超过一般的算法。
     • 缺点：布隆过滤器存在误判率，即可能把不存在的数据判断为存在，但可以通过调整布隆过滤器的参数来降低误判率。并且当数据动态变化时，维护布隆过滤器的成本较高。
   • 方案二：缓存空值
     • 优点：简单直接，对于查询不存在的数据，也将其缓存（值可以设为一个特殊标识），下次相同请求直接从缓存获取，避免重复访问数据库。
     • 缺点：会占用额外的缓存空间，如果空值缓存过多，可能影响缓存命中率和缓存性能。并且如果数据是动态变化的，空值缓存的过期时间设置不好，可能导致新数据写入后，由于空值缓存未过期而无法及时获取到。

缓存击穿

1. 产生原因：
   • 热点数据的缓存过期瞬间，大量请求同时访问该数据，由于缓存失效，这些请求都直接访问数据库，给数据库带来巨大压力。比如某热门商品的缓存过期，而大量用户同时在查询该商品的信息。
2. 解决方案及优缺点：
   • 方案一：互斥锁
     • 优点：和缓存雪崩中加锁排队类似，在缓存过期时，只允许一个请求去查询数据库并更新缓存，其他请求等待，从而避免数据库瞬间承受过多压力。实现相对简单。
     • 缺点：同样会影响性能，请求需要等待，增加响应时间。锁的粒度和使用不当可能引发死锁等问题。
   • 方案二：永不过期
     • 优点：对热点数据设置永不过期，避免了因缓存过期导致的缓存击穿问题，保证高并发情况下对热点数据的快速访问。
     • 缺点：数据更新不及时，如果热点数据发生变化，可能需要额外的机制去更新缓存，否则会导致数据不一致。并且会一直占用缓存空间。
   • 方案三：热点数据更新缓存提前通知
     • 优点：在热点数据过期前，提前通知相关服务更新缓存，保证缓存一直有效，避免缓存击穿。可以在一定程度上减少对数据库的压力，同时保证数据的及时性。
     • 缺点：实现起来相对复杂，需要额外搭建通知机制，并且对通知的可靠性和及时性要求较高。如果通知出现问题，仍可能出现缓存击穿。