分布式缓存：缓存设计中的 7 大经典问题_缓存失效、缓存穿透、缓存雪崩

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缓存全景图

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分布式缓存：缓存架构设计的“四步走”方法

实际上，在缓存系统的设计架构中，还有很多坑， 如果设计不当会导致很多严重的后果。设计不当，轻则请求变慢、性能降低，重则会数据不一致、系统可用性降低，甚至会导致缓存雪崩，整个系统无法对外提供服务。

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缓存设计中的 7 大经典问题

接下来将对缓存设计中的 7 大经典问题，

首先我们先梳理一下缓存失效、缓存穿透与缓存雪崩。

1. 缓存失效：描述、原因、场景、解决方案
2. 缓存穿透：描述、原因、场景、解决方案（含 BloomFilter 原理）
3. 缓存雪崩：描述、原因、场景、解决方案

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一、缓存失效

1. 问题描述

缓存第一个经典问题是缓存失效。上一课时讲到，服务系统查数据，首先会查缓存，如果缓存数据不存在，就进一步查 DB，最后查到数据后回种到缓存并返回。缓存的性能比 DB 高 50~100 倍以上，所以我们希望数据查询尽可能命中缓存，这样系统负荷最小，性能最佳。缓存里的数据存储基本上都是以 key 为索引进行存储和获取的。业务访问时，如果大量的 key 同时过期，很多缓存数据访问都会 miss，进而穿透到 DB，DB 的压力就会明显上升，由于 DB 的性能较差，只在缓存的 1%~2% 以下，这样请求的慢查率会明显上升。这就是缓存失效的问题。

当大量缓存 key 在同一时刻过期，被同时淘汰后，打到 DB 的请求骤增，数据库压力急剧上升，导致请求变慢甚至服务不可用。

2. 原因分析

• 缓存在写入时通常带上固定过期时间。
• 一批数据一次性加载到缓存，且使用相同的过期时间，必然在该时间点集中失效。

3. 业务场景

• 火车票、机票开售时批量预加载缓存。
• 微博后台离线计算完热门 Feed，一次性回写缓存。
• 新业务上线或多IDC部署时的缓存预热。

4. 解决方案

• 过期时间随机化：实际过期 = 基础过期 + 随机值，让同类数据分散在一个窗口内逐步过期，避免雪崩式淘汰。

基础过期：3600s  
随机范围：0–300s  
最终过期：3600s + rand(0,300s)

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二、缓存穿透

1. 问题描述

请求一个不存在的 key，每次都会 Miss 并打到 DB，若恶意或大量无效请求持续触发，DB 压力陡增，影响正常服务。

2. 原因分析

设计时只考虑了正常访问流程（Cache → DB → 回种），未对“查询空”场景做保护：对 DB 查询到的空结果不回写缓存，导致每次都要访问 DB。

3. 业务场景

• 通过不存在的用户 ID、车次 ID 访问系统。
• 恶意或误操作客户端批量请求非法 key。

4. 解决方案

缓存空结果

• 第一次查询 DB 未命中时，回写一个特殊空值到缓存，并设置短过期时间；
• 若后续仍查询该 key，则直接命中空值缓存，避免再次穿透。

BloomFilter 过滤

• 预先用 BloomFilter 记录所有合法 key；
• 查询时先检查 BloomFilter，不存在则直接返回，无需查 Cache/DB。

BloomFilter 原理简述

1. 数据结构：一个位数组和 k 个独立 Hash 函数。

2. 添加元素：对 key 做 k 次 Hash，设置对应 bit 位为 1。

3. 检查存在：若 k 个位置都为 1，则“可能存在”；任一位置为 0，则“必定不存在”。

4. 特性：

   • 空否定 100% 准确；
   • 存在判断有一定误判率（可通过增加位数组和 Hash 函数数量降至可接受范围，如 1%→0.1%）。
   • 空值缓存与 BloomFilter 可结合使用，兼顾空间与准确率。

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三、缓存雪崩

1. 问题描述

部分或大量缓存节点不可用，导致请求集中打到 DB 或重分布时过载，最终引发系统不可用。

• 不支持 Rehash：节点故障后，客户端访问失败→穿透到 DB，DB 过载。
• 支持 Rehash：节点故障后，流量重分发到健康节点，瞬间过载 → 多节点连锁宕机。

2. 原因分析

• 单点或少量节点故障：未做好副本或限流保护。
• 流量洪峰：热点 key 在少数节点集中，导致节点崩溃并连锁扩散。

3. 业务场景

• 部分节点宕机并波及全池。
• 机架断电引发大量节点脱机，瞬间请求涌向 DB。

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4. 解决方案

1. DB 读写降级开关

   • 监控到 DB 慢查询率或阻塞率过高时，Failfast 部分/全部读请求，保护 DB 可用；
   • 写请求保证优先处理，读请求可根据业务容忍度返回旧值或降级信息。

2. 多副本部署

   • 同一数据在多副本（机架隔离）上缓存，任一副本失效可从其他副本读取；
   • 副本数根据热点程度，热点可配 6–10+ 副本，冷数据可少量双副本。

3. 实时监控与自动故障转移

   • 缓存节点健康、命中率、慢请求比等指标告警；
   • 自动剔除异常节点、启动备用节点、限流降级，确保核心请求稳定处理。

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四、结语

缓存系统的 稳定与高效 离不开对这些经典问题的深入理解与预防设计。

• 失效雪崩：随机化过期、分散淘汰
• 穿透攻防：空值回写、BloomFilter 过滤
• 雪崩防护：限流降级、多副本、监控与自动化运维