Redis处理高并发之布隆过滤器详解

目录
  • 前言
  • 缓存穿透、击穿、雪崩
    • 缓存穿透
    • 出现情况
    • 常见的解决方案
  • 缓存击穿
    • 出现情况
    • 解决方案
  • 缓存雪崩
    • 解决方案
  • 布隆过滤器 Bloom filter
  • 总结

前言

随着我们业务开发越来越来大，并染请求就会越来越多，那么我们的项目的压力就会越来越大，基本都会使用缓存，除本地缓存，还会用到redis缓存，但是你以为使用缓存就没啥问题了么，那肯定不是的，使用了缓存又会出现新的问题，比如，缓存的key失效导致大量的请求到数据库，大量的读请求瞬间到达了数据库，cpu的使用率爆增，导致数据库都可能挂掉，这种情况下我们就要考虑使用redis的布隆过滤器了。

缓存穿透、击穿、雪崩

首先我们从缓存会出现的几种问题，来进行分析，在高并发的场景下如果出现这种情况，我们应该如何解决。

正常情况下，我们的web应用会先去请求缓存服务，如果缓存命中，那么就去拿缓存里面的数据，返回结果给应用，

缓存穿透

缓存穿透与缓存雪崩和缓存击穿还是不一样的，雪崩和击穿的情况下，数据库的数据都是真正常的，可以去请求数据库获取数据，只是缓存层出现问题，等待缓存恢复了，就会减轻数据库的压力。 而缓存透不一样的就是，缓存和数据库都没有要请求的数据，大量的请求来了，数据库的压力很大。

出现情况

  • 数据库数据被大量清除，导致访问不到
  • 黑客恶意攻击

常见的解决方案

  • redis缓存空值，请求不到的时候返回给应用空值。
  • 使用布隆过滤器，把数据库的一部分数据hash到布隆过滤器里，在请求数据库之前先去布隆过滤器里筛选到一部分请求，判断数据是否存在，避免直接去访问数据库。

缓存击穿

出现情况

  • 大量热点数据库过期，导致无法从缓存获取到数据，大量请求数据库也无法返回书就

解决方案

  • 加锁，保证同一时间内，只允许有一个线程去更新缓存，等锁释放后在重新去请求缓存。
  • 热点数据不去设置过期时间，如果要设置过期时间，在过期的时候通知后台去更新缓存的过期时间。

缓存雪崩

  • 大量缓存在同一时间失效，导致大量请求进入数据库
  • redis故障宕机，导致缓存不能使用。

解决方案

  • 同上加锁
  • 给缓存的过期时间加入随机数，保证缓存不会在同一时间同时失效。
  • 副本key策略，就是对于一个key，在它的基础上在设置一个key，它们的value都是一样的，只不过一个设置过期时间、一个不设置过期时间，相当于给key做了个副本，只不过在更新缓存的时候，副本key也是要更新的，避免出现数据不一致的现象。

布隆过滤器 Bloom filter

前面提到过布隆过滤器在请求比较高的时候，可以帮助我们抵挡一部分请求，从而减轻数据库的压力，布隆过滤器的数据结构是一个二进制的bit向量，或者说是一个bit数组，它相对于list、set、map这些集合，它占用的空间更少，不足之处处就是返回的结果会有一定概率的误差。

public static void main(String[] args) {
    int size = 1_000_000;
    BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        bloomFilter.put(i);
    }
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (!bloomFilter.mightContain(i)) {
            System.out.println("有漏网之鱼");
        }
    }
    List<Integer> list = new ArrayList<>(1000);
    for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) {
        if (bloomFilter.mightContain(i)) {
            list.add(i);
        }
    }
    System.out.println("有误差的数量：" + list.size());
}

确实有误差的数量，但是误差量不大，追求效率的同时只是牺牲一点误差了。

总结

加锁的排队的场景确实能帮助我们很好的解决缓存穿透、击穿的一些问题，但是效率也是非常低了，因为每个请求都是排队等待，如果可以接受轻微误差的话，布隆过滤器的确是个很不错的选择，Bloom filter的bitmap的存储效率确实很高。

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