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大厂系列：Redis八股文，速速收藏（二）

过期键的删除策略、淘汰策略

11. Redis过期键的删除策略

Redis的过期删除策略就是：惰性删除和定期删除两种策略配合使用。

惰性删除：惰性删除不会去主动删除数据，而是在访问数据的时候，再检查当前键值是否过期，如果过期则执行删除并返回 null 给客户端，如果没有过期则返回正常信息给客户端。它的优点是简单，不需要对过期的数据做额外的处理，只有在每次访问的时候才会检查键值是否过期，缺点是删除过期键不及时，造成了一定的空间浪费。

定期删除：Redis会周期性的随机测试一批设置了过期时间的key并进行处理。测试到的已过期的key将被删除。

附：删除key常见的三种处理方式。

1、定时删除

在设置某个key 的过期时间同时，我们创建一个定时器，让定时器在该过期时间到来时，立即执行对其进行删除的操作。

优点：定时删除对内存是最友好的，能够保存内存的key一旦过期就能立即从内存中删除。

缺点：对CPU最不友好，在过期键比较多的时候，删除过期键会占用一部分 CPU 时间，对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。

2、惰性删除

设置该key 过期时间后，我们不去管它，当需要该key时，我们在检查其是否过期，如果过期，我们就删掉它，反之返回该key。

优点：对 CPU友好，我们只会在使用该键时才会进行过期检查，对于很多用不到的key不用浪费时间进行过期检查。

缺点：对内存不友好，如果一个键已经过期，但是一直没有使用，那么该键就会一直存在内存中，如果数据库中有很多这种使用不到的过期键，这些键便永远不会被删除，内存永远不会释放。从而造成内存泄漏。

3、定期删除

每隔一段时间，我们就对一些key进行检查，删除里面过期的key。

优点：可以通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对 CPU 的影响。另外定期删除，也能有效释放过期键占用的内存。

缺点：难以确定删除操作执行的时长和频率。如果执行的太频繁，定期删除策略变得和定时删除策略一样，对CPU不友好。如果执行的太少，那又和惰性删除一样了，过期键占用的内存不会及时得到释放。另外最重要的是，在获取某个键时，如果某个键的过期时间已经到了，但是还没执行定期删除，那么就会返回这个键的值，这是业务不能忍受的错误。

12. Redis key的过期时间和永久有效分别怎么设置？

通过expire或pexpire命令，客户端可以以秒或毫秒的精度为数据库中的某个键设置生存时间。

与expire和pexpire命令类似，客户端可以通过expireat和pexpireat命令，以秒或毫秒精度给数据库中的某个键设置过期时间，可以理解为：让某个键在某个时间点过期。

13. Redis内存淘汰策略

Redis是不断的删除一些过期数据，但是很多没有设置过期时间的数据也会越来越多，那么Redis内存不够用的时候是怎么处理的呢？答案就是淘汰策略。此类的

当Redis的内存超过最大允许的内存之后，Redis会触发内存淘汰策略，删除一些不常用的数据，以保证Redis服务器的正常运行。

Redisv4.0前提供 6种数据淘汰策略：

volatile-lru：利用LRU算法移除设置过过期时间的key (LRU:最近使用 Least Recently Used )
allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key（这个是最常用的）
volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰
volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰
allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰
no-eviction：禁止驱逐数据，也就是说当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。这个应该没人使用吧！

Redisv4.0后增加以下两种：

volatile-lfu：从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中挑选最不经常使用的数据淘汰(LFU(Least Frequently Used)算法，也就是最频繁被访问的数据将来最有可能被访问到)
allkeys-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最不经常使用的key。

内存淘汰策略可以通过配置文件来修改，Redis.conf对应的配置项是maxmemory-policy 修改对应的值就行，默认是noeviction。

缓存异常

缓存异常有四种类型，分别是缓存和数据库的数据不一致、缓存雪崩、缓存击穿和缓存穿透。

14. 如何保证缓存与数据库双写时的数据一致性？

背景：使用到缓存，无论是本地内存做缓存还是使用 Redis 做缓存，那么就会存在数据同步的问题，因为配置信息缓存在内存中，而内存时无法感知到数据在数据库的修改。这样就会造成数据库中的数据与缓存中数据不一致的问题。

共有四种方案：

先更新数据库，后更新缓存
先更新缓存，后更新数据库
先删除缓存，后更新数据库
先更新数据库，后删除缓存

第一种和第二种方案，没有人使用的，因为第一种方案存在问题是：并发更新数据库场景下，会将脏数据刷到缓存。

第二种方案存在的问题是：如果先更新缓存成功，但是数据库更新失败，则肯定会造成数据不一致。

目前主要用第三和第四种方案。

15. 先删除缓存，后更新数据库

该方案也会出问题，此时来了两个请求，请求 A（更新操作）和请求 B（查询操作）

请求A进行写操作，删除缓存
请求B查询发现缓存不存在
请求B去数据库查询得到旧值
请求B将旧值写入缓存
请求A将新值写入数据库

上述情况就会导致不一致的情形出现。而且，如果不采用给缓存设置过期时间策略，该数据永远都是脏数据。

答案一：延时双删

最简单的解决办法延时双删

使用伪代码如下：

public void write(String key,Object data){
        Redis.delKey(key);
        db.updateData(data);
        Thread.sleep(1000);
        Redis.delKey(key);
    }

转化为中文描述就是（1）先淘汰缓存（2）再写数据库（这两步和原来一样）（3）休眠1秒，再次淘汰缓存，这么做，可以将1秒内所造成的缓存脏数据，再次删除。确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时，写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上，加几百ms即可。

如果使用的是 Mysql 的读写分离的架构的话，那么其实主从同步之间也会有时间差。

此时来了两个请求，请求 A（更新操作）和请求 B（查询操作）

请求 A 更新操作，删除了 Redis
请求主库进行更新操作，主库与从库进行同步数据的操作
请 B 查询操作，发现 Redis 中没有数据
去从库中拿去数据
此时同步数据还未完成，拿到的数据是旧数据

此时的解决办法就是如果是对 Redis 进行填充数据的查询数据库操作，那么就强制将其指向主库进行查询。

答案二：更新与读取操作进行异步串行化

采用更新与读取操作进行异步串行化

异步串行化

我在系统内部维护n个内存队列，更新数据的时候，根据数据的唯一标识，将该操作路由之后，发送到其中一个jvm内部的内存队列中（对同一数据的请求发送到同一个队列）。读取数据的时候，如果发现数据不在缓存中，并且此时队列里有更新库存的操作，那么将重新读取数据+更新缓存的操作，根据唯一标识路由之后，也将发送到同一个jvm内部的内存队列中。然后每个队列对应一个工作线程，每个工作线程串行地拿到对应的操作，然后一条一条的执行。

这样的话，一个数据变更的操作，先执行删除缓存，然后再去更新数据库，但是还没完成更新的时候，如果此时一个读请求过来，读到了空的缓存，那么可以先将缓存更新的请求发送到队列中，此时会在队列中积压，排在刚才更新库的操作之后，然后同步等待缓存更新完成，再读库。

读操作去重

多个读库更新缓存的请求串在同一个队列中是没意义的，因此可以做过滤，如果发现队列中已经有了该数据的更新缓存的请求了，那么就不用再放进去了，直接等待前面的更新操作请求完成即可，待那个队列对应的工作线程完成了上一个操作（数据库的修改）之后，才会去执行下一个操作（读库更新缓存），此时会从数据库中读取最新的值，然后写入缓存中。

如果请求还在等待时间范围内，不断轮询发现可以取到值了，那么就直接返回；如果请求等待的时间超过一定时长，那么这一次直接从数据库中读取当前的旧值。（返回旧值不是又导致缓存和数据库不一致了么？那至少可以减少这个情况发生，因为等待超时也不是每次都是，几率很小吧。这里我想的是，如果超时了就直接读旧值，这时候仅仅是读库后返回而不放缓存）

16. 先更新数据库，后删除缓存

这一种情况也会出现问题，比如更新数据库成功了，但是在删除缓存的阶段出错了没有删除成功，那么此时再读取缓存的时候每次都是错误的数据了。

此时解决方案就是利用消息队列进行删除的补偿。具体的业务逻辑用语言描述如下：

请求 A 先对数据库进行更新操作
在对 Redis 进行删除操作的时候发现报错，删除失败
此时将Redis 的 key 作为消息体发送到消息队列中
系统接收到消息队列发送的消息后再次对 Redis 进行删除操作

但是这个方案会有一个缺点就是会对业务代码造成大量的侵入，深深的耦合在一起，所以这时会有一个优化的方案，我们知道对 Mysql 数据库更新操作后再 binlog 日志中我们都能够找到相应的操作，那么我们可以订阅 Mysql 数据库的 binlog 日志对缓存进行操作。

17. 什么是缓存击穿?

缓存击穿跟缓存雪崩有点类似，缓存雪崩是大规模的key失效，而缓存击穿是某个热点的key失效，大并发集中对其进行请求，就会造成大量请求读缓存没读到数据，从而导致高并发访问数据库，引起数据库压力剧增。这种现象就叫做缓存击穿。

从两个方面解决，第一是否可以考虑热点key不设置过期时间，第二是否可以考虑降低打在数据库上的请求数量。

解决方案：

在缓存失效后，通过互斥锁或者队列来控制读数据写缓存的线程数量，比如某个key只允许一个线程查询数据和写缓存，其他线程等待。这种方式会阻塞其他的线程，此时系统的吞吐量会下降
热点数据缓存永远不过期。永不过期实际包含两层意思：物理不过期，针对热点key不设置过期时间逻辑过期，把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建

18. 什么是缓存穿透?

缓存穿透是指用户请求的数据在缓存中不存在即没有命中，同时在数据库中也不存在，导致用户每次请求该数据都要去数据库中查询一遍。如果有恶意攻击者不断请求系统中不存在的数据，会导致短时间大量请求落在数据库上，造成数据库压力过大，甚至导致数据库承受不住而宕机崩溃。
缓存穿透的关键在于在Redis中查不到key值，它和缓存击穿的根本区别在于传进来的key在Redis中是不存在的。假如有黑客传进大量的不存在的key，那么大量的请求打在数据库上是很致命的问题，所以在日常开发中要对参数做好校验，一些非法的参数，不可能存在的key就直接返回错误提示。

解决方法：

将无效的key存放进Redis中：

当出现Redis查不到数据，数据库也查不到数据的情况，我们就把这个key保存到Redis中，设置value="null"，并设置其过期时间极短，后面再出现查询这个key的请求的时候，直接返回null，就不需要再查询数据库了。但这种处理方式是有问题的，假如传进来的这个不存在的Key值每次都是随机的，那存进Redis也没有意义。

使用布隆过滤器：

如果布隆过滤器判定某个 key 不存在布隆过滤器中，那么就一定不存在，如果判定某个 key 存在，那么很大可能是存在(存在一定的误判率)。于是我们可以在缓存之前再加一个布隆过滤器，将数据库中的所有key都存储在布隆过滤器中，在查询Redis前先去布隆过滤器查询 key 是否存在，如果不存在就直接返回，不让其访问数据库，从而避免了对底层存储系统的查询压力。
如何选择：针对一些恶意攻击，攻击带过来的大量key是随机，那么我们采用第一种方案就会缓存大量不存在key的数据。那么这种方案就不合适了，我们可以先对使用布隆过滤器方案进行过滤掉这些key。所以，针对这种key异常多、请求重复率比较低的数据，优先使用第二种方案直接过滤掉。而对于空数据的key有限的，重复率比较高的，则可优先采用第一种方式进行缓存。

19. 什么是缓存雪崩?

如果缓在某一个时刻出现大规模的key失效，那么就会导致大量的请求打在了数据库上面，导致数据库压力巨大，如果在高并发的情况下，可能瞬间就会导致数据库宕机。这时候如果运维马上又重启数据库，马上又会有新的流量把数据库打死。这就是缓存雪崩。

造成缓存雪崩的关键在于同一时间的大规模的key失效，主要有两种可能：第一种是Redis宕机，第二种可能就是采用了相同的过期时间。

解决方案：

1、事前：

均匀过期：设置不同的过期时间，让缓存失效的时间尽量均匀，避免相同的过期时间导致缓存雪崩，造成大量数据库的访问。如把每个Key的失效时间都加个随机值，setRedis（Key，value，time + Math.random() * 10000）；，保证数据不会在同一时间大面积失效。
分级缓存：第一级缓存失效的基础上，访问二级缓存，每一级缓存的失效时间都不同。
热点数据缓存永远不过期。永不过期实际包含两层意思：物理不过期，针对热点key不设置过期时间逻辑过期，把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建
保证Redis缓存的高可用，防止Redis宕机导致缓存雪崩的问题。可以使用主从+ 哨兵，Redis集群来避免 Redis 全盘崩溃的情况。

2、事中：

互斥锁：在缓存失效后，通过互斥锁或者队列来控制读数据写缓存的线程数量，比如某个key只允许一个线程查询数据和写缓存，其他线程等待。这种方式会阻塞其他的线程，此时系统的吞吐量会下降
使用熔断机制，限流降级。当流量达到一定的阈值，直接返回“系统拥挤”之类的提示，防止过多的请求打在数据库上将数据库击垮，至少能保证一部分用户是可以正常使用，其他用户多刷新几次也能得到结果。

3、事后：

开启Redis持久化机制，尽快恢复缓存数据，一旦重启，就能从磁盘上自动加载数据恢复内存中的数据。