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 1緩存系統(tǒng)交互

緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì)是后端開發(fā)人員的必備技能，也是實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的重要武器。

對于讀多寫少的場景，我們通常使用內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫作為緩存，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為主存儲，從而形成兩層相互依賴的存儲體系。

共識：我們將使用Redis和MySQL作為緩存和主存的實(shí)體，展開今天的話題。

緩存系統(tǒng)的讀取場景和更新場景：

• 讀取時(shí)只要之前MySQL和Redis中的數(shù)據(jù)是一致的，后續(xù)只要沒有更新操作就不會有什么問題，同時(shí)借助于內(nèi)存來提高并發(fā)能力，這也是我們設(shè)計(jì)緩存系統(tǒng)的初衷。
• 對于讀多寫少的業(yè)務(wù)模型，由于操作MySQL和Redis并非天然的原子操作，會造成數(shù)據(jù)的不一致，需要特殊處理。

讀取過程示意：

讀取過程：讀請求優(yōu)先從緩存中獲取數(shù)據(jù)，拿到后即可返回;如緩存無數(shù)據(jù)，則從主存儲拿數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)更新到緩存中，為后續(xù)的讀取請求做鋪墊。

更新過程之所以會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問題，有內(nèi)外兩大原因：

• 內(nèi)部原因：Redis和MySQL的更新不是天然的原子操作，非事務(wù)性的組合拳。
• 外部原因：實(shí)際中的讀寫請求是并發(fā)且無序的，可預(yù)測性很差，完全不可控。

2數(shù)據(jù)不一致的感知

我們來看個(gè)實(shí)際中的例子，進(jìn)一步了解緩存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不一致問題。

平時(shí)上下班擠地鐵的時(shí)候，我們經(jīng)常會聽網(wǎng)易云，比如我喜歡聽民謠，所有會關(guān)注官方發(fā)布的一些民謠歌曲榜單，如圖：

歌單是網(wǎng)易云的運(yùn)營同學(xué)配置的，作為用戶我們是無法修改的歌單的內(nèi)容的，所以這是個(gè)非常典型的讀多寫少的場景。

所以假如我是網(wǎng)易云的后端同學(xué)，我肯定會把歌單的信息存儲在Redis中，緩存下來提高性能，大概可以是這個(gè)樣子：

假如因?yàn)榘鏅?quán)問題，運(yùn)營刪除了一首歌，此時(shí)更新了MySQL，但是Redis中的數(shù)據(jù)并沒有及時(shí)被更新，那么就會有一少部分用戶在歌單中看到本已被刪除的歌曲，點(diǎn)擊時(shí)可能無法播放等。

畫外音：這就是緩存和主存儲的數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，當(dāng)然具體網(wǎng)易云是咋實(shí)現(xiàn)的，咱也不清楚，上述的場景純屬作者腦補(bǔ)來說明不一致問題的直觀實(shí)例。

3理性看待不一致問題

數(shù)據(jù)一致性可以說是分布式系統(tǒng)中必然存在的問題，數(shù)據(jù)一致性可以分為：

• 強(qiáng)一致性：時(shí)時(shí)刻刻保持一致。
• 最終一致性：允許短暫的不一致，但是最后還是一致的。

要實(shí)現(xiàn)緩存和主存儲的強(qiáng)一致性，需要借助于復(fù)雜的分布式一致性協(xié)議等，倒不如不用緩存，畢竟緩存的優(yōu)勢還是讀多寫少的場景。

畫外音：緩存并不是什么萬金油，對于寫多讀少的場景，或許并不是適合用緩存。

工程和學(xué)術(shù)是有區(qū)別的，因此我們后續(xù)的問題都是圍繞最終一致性展開的，因?yàn)檫@才是有意義的問題。

進(jìn)而我們將問題轉(zhuǎn)化為：

研究重點(diǎn)：在保證數(shù)據(jù)最終一致性的前提下，如何把數(shù)據(jù)不一致帶來的影響降低到業(yè)務(wù)可接受的范圍內(nèi)?

4更新還是刪除是個(gè)問題

當(dāng)MySQL被更新時(shí)，我們?nèi)绾翁幚鞷edis呢?

• 直接將key淘汰掉，是否再次被加載由后續(xù)讀請求決定。
• 直接update發(fā)生變化的key，相當(dāng)于幫后面的請求做了加載的操作。

可以明確一點(diǎn)刪除操作直接操作就行(簡單明了)，但是更新操作可能涉及的處理步驟更多，也就是update可能比delete更復(fù)雜。

另外，我們需要盡量保證Redis中的數(shù)據(jù)都是熱數(shù)據(jù)，update每次都會使得數(shù)據(jù)駐留在Redis中，或許這是沒有必要的，因?yàn)檫@些可能是冷數(shù)據(jù)，至于要加載哪些數(shù)據(jù)，還是交給后面的請求比較合適，各司其職。

綜上，我們更傾向于將delete作為通用的選擇，因此后續(xù)都是基于淘汰緩存來展開的。

5如何解決不一致問題

Redis和MySQL的數(shù)據(jù)不一致產(chǎn)生的根源是業(yè)務(wù)需要進(jìn)行更新(寫入)操作。

先操作Redis 還是 先操作MySQL是個(gè)問題，操作時(shí)序不同產(chǎn)生的影響也不同。

尺有所短，寸有所長，說到底是一種權(quán)衡，哪一種組合產(chǎn)生的負(fù)面影響對業(yè)務(wù)最小，就傾向于哪種方案。

緩存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不一致問題，是個(gè)經(jīng)典的問題，因此肯定有很多解決問題的套路，所以讓我們帶著分析和思考去看看，各個(gè)方案的利弊。

思路一：設(shè)置緩存過期時(shí)間

當(dāng)向Redis寫入一條數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)設(shè)置過期時(shí)間x秒，業(yè)務(wù)不同過期時(shí)間不同。

過期時(shí)間到達(dá)時(shí)Redis就會刪掉這條數(shù)據(jù)，后續(xù)讀請求Redis出現(xiàn)Cache Miss，進(jìn)而讀取MySQL，然后把數(shù)據(jù)寫到Redis。

如果發(fā)生更新操作時(shí)，只操作MySQL，那么Redis中的數(shù)據(jù)更新就只是依賴于過期時(shí)間來保底，淘汰后再被加載就是新數(shù)據(jù)了。

畫外音：這種方案是最簡單的，如果業(yè)務(wù)對短時(shí)間不一致問題并不在意，設(shè)置過期時(shí)間的方案就足夠了，沒有必要搞太復(fù)雜。

思路二：先淘汰緩存&再更新主存

進(jìn)行更新操作時(shí)，為了防止其他線程讀到緩存中的舊數(shù)據(jù)，干脆淘汰掉，然后把數(shù)據(jù)更新到主存儲，后續(xù)的請求再次讀取時(shí)觸發(fā)Cache Miss，從而讀取MySQL再將新數(shù)據(jù)更新到Redis。

• 在T1時(shí)刻：Redis和MySQL對于age的值都是18，二者一致;
• 在T2時(shí)刻：有更新請求需要設(shè)置age=20，此時(shí)Redis中就沒有age這個(gè)數(shù)據(jù)了;在完成Redis淘汰后，進(jìn)行MySQL數(shù)據(jù)更新age=20;

這個(gè)方案聽著還不錯的樣子，但是讀寫請求都是并發(fā)的，先后順序完全無法預(yù)測，甚至后發(fā)出的請求先處理完成，也是很常見的。

可見一個(gè)明顯的漏洞：在淘汰Redis的數(shù)據(jù)完成后，更新MySQL完成之前，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)如果有新的讀請求過來，發(fā)現(xiàn)Cache Miss了，就會把舊數(shù)據(jù)重新寫到Redis中，再次造成不一致，并且毫無察覺后續(xù)讀的都是舊數(shù)據(jù)。

畫外音：這個(gè)方案其實(shí)不能說完全沒有用，但是至少不完美吧。

思路三：先更新主存&再淘汰緩存

進(jìn)行更新操作時(shí)，先更新MySQL，成功之后，淘汰緩存，后續(xù)讀取請求時(shí)觸發(fā)Cache Miss再將新數(shù)據(jù)回寫Redis。

這種模式在更新MySQL和淘汰Redis這段時(shí)間內(nèi)，請求讀取的還是Redis的舊數(shù)據(jù)，不過等MySQL更新完成，就可以立刻恢復(fù)一致，影響相對比較小。

上述是在緩存中有數(shù)據(jù)的情況，也就是T2時(shí)刻的讀請求沒有觸發(fā)Cache Miss，也就不會更新緩存，因此問題不大。

但是，假如T2時(shí)刻讀取的數(shù)據(jù)在緩存沒有，那么觸發(fā)Cache Miss后會產(chǎn)生回寫，假如這個(gè)回寫動作是在T4時(shí)刻完成，那么寫入的還是老數(shù)據(jù)，如圖：

這種情況確實(shí)有問題，但是真是太巧了吧，分析一下：

• 事件A：淘汰Redis前來了一個(gè)讀請求;
• 事件B：T2時(shí)刻的讀請求觸發(fā)了Cache Miss;
• 事件C：回寫Redis發(fā)生在淘汰緩存之后;

那么發(fā)生問題的概率就是P(A)*P(B)*P(C)，從實(shí)際考慮這種綜合事件發(fā)生的概率非常低，因?yàn)閷懖僮鬟h(yuǎn)慢于讀操作，也就是圖上的T4事件大概率是發(fā)生在T3事件之前的。

畫外音：先更新MySQL再淘汰Redis的方案，雖然存在小概率不一致問題，但是總體來說工程上是可用的，比如非要說寫完MySQL掛了，Redis就沒淘汰，這種情況只能說確實(shí)有問題。

思路四：延時(shí)雙刪(淘汰)

前面提到的思路二和思路三都只有一次Redis淘汰操作，這里要說的延時(shí)雙刪本質(zhì)上是思路二和思路三的結(jié)合：

說實(shí)話個(gè)人覺得，這個(gè)方案有點(diǎn)堆操作的感覺，而且設(shè)置延時(shí)的目的是為了避免思路三的小概率問題，延時(shí)設(shè)置多久不好確定，二來延時(shí)降低了并發(fā)性能，同時(shí)前置的刪除緩存操作起到的作用并不大。

這個(gè)方案倒是透露出一種思想：多刪幾次，可能一致性更有保證，那確實(shí)如此，但是命中率也就低了，命中率和一致性看來也是一對矛盾。

畫外音：這個(gè)方案也不是說不行，其實(shí)有點(diǎn)麻煩，并且在復(fù)雜高并發(fā)場景中反而影響性能，要是一般的場景或許也能用起來。

思路五：異步更新緩存

既然直接操作MySQL和Redis都多少存在一些問題，那么能不能引入中間層來解決問題呢?

把MySQL的更新操作完成后不直接操作Redis，而是把這個(gè)操作命令(消息)扔到一個(gè)中間層，然后由Redis自己來消費(fèi)更新數(shù)據(jù)，這是一種解耦的異步方案。

單純?yōu)榱烁戮彺嬉胫虚g件確實(shí)有些復(fù)雜，但是像MySQL提供了binlog的同步機(jī)制，此時(shí)Redis就作為Slave進(jìn)行主從同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新，成本也還可以接受。

畫外音：引入中間層思想真是萬金油啊!

6 總結(jié)一下

本文主要介紹了以下幾個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容：

• 緩存系統(tǒng)適用的場景：讀多寫少。
• 緩存系統(tǒng)的讀寫基本交互過程，讀很簡單，寫有點(diǎn)復(fù)雜。
• 緩存系統(tǒng)寫時(shí)的不一致問題有內(nèi)外兩個(gè)因素：外部讀寫的并發(fā)無序性和內(nèi)部操作非原子性。
• 使用緩存系統(tǒng)，我們就需要接受最終一致性的前提，否則不建議用緩存。
• 解決緩存數(shù)據(jù)不一致的思路有很多，或多或少都有不足，具體用哪種，需要根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場景，沒有哪種方案是普遍適用的。