架构设计：浅析分布式系统中的缓存问题

Posted 2022-06-07 志波同学

在分布式系统设计中，为了提高系统的响应速度，为了减轻数据库服务器的访问压力，我们经常会对数据进行缓存处理。本文由浅入深，逐步讲解缓存的设计，以及设计中遇到的问题。

初级缓存方案

初级缓存方案如下图所示，之所以如此命名，是因为大多数的系统中都是这样使用缓存的，是一个基础的缓存方案。大致流程如下：
1、业务系统从缓存中查询数据
2、如果查询到数据，则直接使用该数据
3、如果没有查询到数据，则需要业务系统从数据库中查询数据
4、如果查询到数据，则将数据放入缓存中，同时使用该数据
5、如果没有查询到数据，则直接返回空

初级缓存方案存在的问题

在访问量比较小的系统中，初级缓存方案是可以满足缓存要求的，但是在大型的分布式系统中，该方案存在问题的，如下：

缓存穿透问题

假设数据库中有 N 个用户U = U1, U2,…Un，缓存穿透问题描述如下：
1、业务系统第一次从缓存中查询 U1 用户数据，此时缓存没有该数据，接着从数据库查询，查询到该数据，并将数据写入缓存中，业务系统就可以使用该数据。
2、再次查询 U1 用户数据时，直接从缓存中获取。
3、以此类推， U2,…Un 的数据查询逻辑类似于 U1。
4、当业务系统要查询 Un+1 的用户数据时，此时缓存中没有该用户数据，于是从查询数据库，数据库中也没有该用户数据，直接返回空。
5、问题来了，如果业务系统反复查询 Un+1 的用户数据，此时大量的请求会穿透缓存，直接进行数据库查询，给数据库带来大量的访问压力，严重时可能会导致数据库系统奔溃。在这种场景下初级缓存方案是无效，通常我们称这个问题为缓存穿透问题。

缓存击穿问题

假设数据库中有 N 个用户U = U1, U2,…Un，缓存击穿问题描述如下：
1、业务系统第一次从缓存中查询 U1 用户数据，此时缓存没有该数据，接着从数据库查询，查询到该数据，并将数据写入缓存中，业务系统就可以使用该数据。
2、再次查询 U1 用户数据时，直接从缓存中获取。
3、以此类推， U2,…Un 的数据查询逻辑类似于 U1。
4、在某一时刻，系统中的缓存正好失效了，此时就会有大量的数据库查询请求，给数据库带来大量的访问压力，严重时可能会导致数据库系统奔溃。在这种场景下初级缓存方案是无效，通常我们称这个问题为缓存击穿问题。

缓存雪崩问题

当缓存服务器重启或者大量缓存集中在某一个时间段失效，在失效的时候，此时就会有大量的数据库查询请求，给数据库带来大量的访问压力，造成数据库访问缓慢，严重时可能会导致数据库系统奔溃，从而引起应用服务器雪崩。缓存穿透、缓存击穿都有可能引发缓存雪崩问题。

本文描述了最常见的缓存方案，以及该方案可能产生的问题，后续会写3篇文章详述缓存问题的解决方案。
架构设计：如何解决缓存穿透问题
架构设计：如何解决缓存击穿问题
架构设计：如何解决缓存雪崩问题

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