【redis】缓存策略
随着应用程序变得越来越复杂，有效地管理缓存成为了提高性能和用户体验的关键。缓存不仅可以减少数据库的负载，还能显著提高数据访问速度。但是，选择合适的缓存策略可能是一个挑战，因为每种策略都有其独特的优势和适用场景。
Cache-Aside（旁路缓存）策略
Cache-Aside是最广泛使用的缓存模式之一，如果能正确使用Cache-Aside的话，能极大的提升应用性能，Cache-Aside可用来读或写操作。
Cache-Aside是由应用程序负责直接从缓存中读取和写入数据。如果缓存未命中，应用程序将从数据库加载数据，并将其存储在缓存中以供未来使用。
读操作流程：
- 查询缓存：应用首先尝试从缓存中获取数据。
- 缓存命中：若数据存在，直接返回结果。
- 缓存未命中：若数据不存在，从数据库加载数据，并回填缓存，再返回结果。
写操作流程：
- 更新数据库：应用直接修改数据库中的数据。
- 操作缓存：更新完成后，更新缓存中的数据或删除缓存中的数据
优点：
- 高读取性能：缓存命中时直接返回数据，减少数据库压力。
- 实现简单：逻辑清晰，无需依赖复杂缓存中间件。
- 灵活性高：可自定义缓存策略（如过期时间、淘汰算法）。
- 缓存利用率高：仅缓存热点数据，避免内存浪费。
- 按需加载：仅在缓存未命中时加载数据，减少冗余存储。
缺点：
- 短暂数据不一致：数据库更新与缓存删除之间存在时间窗口，可能返回旧数据。
- 写性能较低：每次写操作需同步更新数据库和缓存，增加延迟。
- 缓存击穿：高并发下缓存未命中，大量请求涌入数据库
- 缓存雪崩：批量缓存同时过期，导致数据库瞬时压力激增。
适用场景：
- 读多写少：如商品详情页、用户资料查询，缓存命中率高。
- 数据更新频率低：减少缓存频繁失效带来的性能损耗。
- 允许最终一致性：如非实时统计、日志类业务。
- 资源需求不可预测：按需加载数据，无需预判热点
Read Through（透读）/Write Through（透写）策略
Cache Aside模式需要应用方维护缓存的读写，对数据和缓存的维护设计侵入代码，代码复杂性增加。
Read Through和Write Through是两种策略，经常结合在一起使用。
Read/Write through模式弥补了这一问题，调用方无需管理缓存和数据库调用，通过抽象缓存管理组件维护缓存和数据库的读写，解耦业务代码。
读操作流程（Read Through）：
- 查询缓存：应用程序直接向缓存层发起读请求。
- 缓存命中：若数据存在，直接返回结果。
- 缓存未命中：缓存层自动从数据库加载数据，写入缓存后返回给应用。
写操作流程（Write Through）：
- 更新缓存：应用程序直接向缓存层写入新数据。
- 同步数据库：缓存层立即将数据同步写入数据库（原子操作）。
优点：
- 强数据一致性：读写均通过缓存层，保证缓存与数据库实时同步，避免脏数据。
- 简化应用逻辑：应用仅需与缓存交互，无需直接操作数据库，降低代码复杂度，应用程序无需感知底层数据库的存在，缓存层全权管理数据加载。
- 自动数据加载：缓存未命中时自动加载数据，减少手动处理逻辑。
缺点：
- 写入性能较低：每次写操作需同步更新数据库，增加延迟（尤其高并发写入场景）。
- 依赖缓存服务稳定性：缓存层成为单点依赖，若缓存故障可能导致系统不可用。
- 实现复杂度高：需缓存层支持事务和同步机制，开发维护成本较高
适用场景：
- 强一致性需求场景：金融交易系统中如账户余额更新、订单状态变更，需保证数据实时准确。配置管理中如全局参数、权限配置，要求所有节点数据一致。
- 读多写少场景：高频读取的低更新数据如新闻详情页、商品静态信息，缓存命中率高，减少数据库压力。实时性要求高的查询如股票行情、航班动态，需快速响应且数据准确。
- 多级存储架构：分布式系统缓存层作为数据代理，降低跨节点查询延迟。网络存储如文件服务器，通过缓存加速高频访问文件
Write Back（回写缓存）策略
Write-Back，又叫，是由应用程序首先将数据写入缓存，然后再批量异步地更新后端数据源（如数据库）。这种策略可以减少对数据源的即时写操作，从而提高应用程序的性能，提升系统的TPS。
写操作流程：
- 应用程序直接更新缓存中的数据。更新操作完成后，立即返回成功响应。
- 缓存系统记录此次更新（如通过日志或队列），但不立即同步到数据库。
- 缓存系统通过后台进程或定时任务，批量将累积的更新操作异步写入数据库（例如合并多次写操作或定期刷新）。
优点：
- 超高写入性能：写操作仅需更新缓存，无需等待数据库I/O，响应延迟极低。支持批量合并写入，减少数据库操作次数（例如将多次更新合并为一次）。
- 容错性：即使数据库暂时不可用，系统仍可通过缓存继续服务。
- 降低数据库压力：异步批量写入避免了高并发下的数据库负载峰值。
缺点：
- 数据一致性风险：异步写入可能导致缓存与数据库短暂不一致（保证最终一致性）。若缓存故障且未持久化数据，可能导致数据丢失。
- 实现复杂度高：需维护异步队列、日志或脏位标记（Dirty Bit）以跟踪待更新数据。需处理异常场景（如异步写入失败时的重试机制）
适用场景：
- 写密集型场景：如日志记录、社交动态流、用户行为追踪，写入频率高但对实时一致性要求低。
- 容忍最终一致性的业务：如页面浏览量统计、点赞数更新等，允许数据短暂延迟同步。
- 高吞吐需求系统：需要最大化写入吞吐量的场景，如秒杀时将订单数据写入缓存后异步写入数据库。
Write-Through-Back（透写后缓存）策略
Write-Through-Back是结合了Write-Through和Write-Back模式的缓存方法。在这种模式下，数据首先被写入缓存，然后立即异步地更新到数据库。这种模式旨在平衡写操作的即时性和减少对数据源的直接压力。
注：Write-Back通常再写入缓存与数据库存在较大一段时间间隔，Write-Through-Back通常立即执行异步操作，能较大程度减少最终一致性时长。
写操作流程：
- 应用首先将数据写入缓存，并立即触发异步操作将数据同步到数据库。
- 与纯Write-Back不同，其异步延迟极短（通常毫秒级），以缩短数据最终一致性的时间窗口。
优点：
- 高性能写入：写入操作仅需操作缓存，无需等待数据库响应，极大降低延迟。异步批量更新数据库，减少数据库负载压力。
- 平衡一致性：相比纯Write-Back，缩短了缓存与数据库的同步延迟，降低数据丢失风险。
- 容错性提升：若数据库暂时不可用，异步队列可缓存待更新操作，重试直至成功。
缺点：
- 短暂不一致性：异步同步仍存在时间窗口，可能导致缓存与数据库数据短暂不一致。
- 实现复杂度高：需维护异步队列、重试机制及脏数据标记（Dirty Bit）。
- 资源消耗：后台线程持续运行可能占用额外 CPU 和内存资源。
适用场景：
- 高吞吐写入场景：如日志系统、用户行为追踪（每秒数千次写入），需快速响应但允许短暂延迟同步。
- 实时统计类应用：如页面浏览量、点赞数统计，容忍最终一致性但需高并发写入能力。
- 资源受限的分布式系统：当数据库成为性能瓶颈时，通过异步批量写入缓解压力。
Write-Around(绕写缓存)策略
Write-Around是一种写入时绕过缓存的缓存策略，其核心思想是直接更新持久化存储（如数据库）而不操作缓存，仅在读取数据时按需加载到缓存。这种策略旨在减少缓存污染并优化存储资源使用，尤其适合写多读少或仅需缓存部分热点数据的场景。
写操作流程：
- 应用直接将数据写入数据库，不更新缓存，避免缓存被低频访问的写入数据占用。
读操作流程：
- 需结合Cache-Aside或Read-Through策略，确保读取时能正确加载数据到缓存。
优点：
- 节省缓存空间：避免低频数据占用缓存资源，提升缓存利用率。
- 降低缓存污染风险：减少无效缓存更新操作。
缺点：
- 读性能下降：首次或低频读取需穿透到数据库，增加延迟。
- 数据一致性风险：写入后缓存可能长期持有旧数据。
- 额外I/O开销：写操作需直接操作数据库，可能增加磁盘压力
适用场景：
- 高频写入低频读取：如日志记录、IoT 设备数据上报，数据写入后极少被访问，无需缓存。
- 仅缓存热点数据：如电商平台仅缓存热门商品信息，冷门商品数据通过Write-Around直接写入数据库。
- 资源受限环境：缓存空间有限时，通过绕过写入避免缓存溢出，结合TTL策略管理冷数据
Refresh-Ahead (预刷新缓存)策略
Refresh-Ahead通过时间预判与异步加载，在缓存失效前完成数据更新，是平衡性能与实时性的有效方案。其成功依赖于精准的TTL管理、资源控制及异常处理，适用于数据访问模式稳定且对延迟敏感的场景。
读操作流程（Read Through）：
- 直接查询缓存：应用程序直接从缓存中读取数据。
写操作流程（Write Through）：
- 预判与主动刷新：系统监测缓存项的TTL（生存时间），在数据即将过期时（如TTL剩余10%时），异步触发数据预加载，从数据源（如数据库）拉取最新数据并更新缓存。
优点：
- 降低延迟：避免缓存失效时用户需等待数据库查询，提升响应速度（实验显示可减少30%以上的延迟）。
- 缓解数据库压力：分散回源请求，防止缓存集中失效导致的数据库负载激增。
- 数据实时性提升：适用于新闻、活动页面等高时效性场景，确保用户获取较新数据。
缺点：
- 资源消耗增加：频繁预刷新可能占用额外计算和网络资源，尤其在预测不准时导致无效刷新。
- 实现复杂度高：需精准设计TTL监测、异步任务调度及错误处理机制。
- 短期不一致风险：若预刷新期间源数据再次变更，可能导致缓存与数据库短暂不一致。
适用场景：
-高频访问的热点数据：如电商平台的商品详情页、社交媒体的热门内容。
- 数据更新可预测的场景：例如定期更新的配置信息、天气预报等。
- 对响应速度敏感的应用：实时推荐系统、金融行情展示等需快速响应的领域。
- 分布式系统缓存同步：结合消息队列（如Redis Pub/Sub）实现多节点缓存的协同刷新