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缓存三大劫攻防战：穿透、击穿、雪崩的Java实战防御体系（一）

news 2025/9/13 5:52:33

在高并发系统的稳定性战役中，缓存故障往往是压垮系统的“最后一根稻草”。某电商平台因缓存雪崩导致DB连接池耗尽，大促期间瘫痪2小时，直接损失超800万元；某支付系统因缓存穿透引发MySQL主从延迟，造成5000笔交易对账异常；某社交APP因热点用户缓存击穿，导致明星账号主页连续30分钟无法访问，登上热搜引发舆情危机。

这些真实案例印证了一个残酷事实：缓存不是“银弹”，而是需要精心设计防御体系的“战场前沿”。本文跳出“概念堆砌”的传统框架，采用“故障现场→根因解剖→方案落地→实战验证”的实战结构，通过6个跨行业案例，拆解12套可直接复用的Java防御方案，包含22段核心代码、7张可视化图表和5个避坑指南，形成5000字的“问题-方案-验证”闭环手册。

第一部分：缓存穿透——“不存在的key”引发的DB轰炸

缓存穿透的本质是“请求的key在缓存和DB中均不存在”，导致缓存完全失效，所有请求直达DB，形成“DB轰炸”。这种攻击成本极低（仅需生成无效key），但破坏力极大（可能直接击垮数据库）。

案例1：社交APP注册接口的“恶意撞库”事件

故障现场

某社交APP上线“一键注册”功能，核心接口/api/v1/register/check需校验手机号是否已注册，架构为“Redis+MySQL”：

  • 正常流程：查询Redis→未命中则查MySQL→将结果写入Redis（存在则存“1”，不存在则不存）。
  • 故障爆发：上线第3天晚8点，监控显示MySQL查询量从500QPS飙升至12000QPS，CPU使用率达99%，连接池耗尽，正常用户注册失败。日志显示大量“13800000000”“13800000001”等连续未注册手机号请求。
根因解剖

通过流量分析工具发现，攻击方使用脚本生成1000万个格式合法的随机手机号（138开头+8位随机数），以100并发线程高频调用接口：

  1. 这些手机号在Redis和MySQL中均不存在，缓存完全失效；
  2. 接口未做有效拦截，所有请求穿透至MySQL；
  3. MySQL的user表虽对phone字段建了索引，但12000QPS远超单表承载极限（约3000QPS），导致连接池耗尽。
四层防御体系落地
方案1：接口层参数校验（第一道防线）

核心逻辑：通过业务规则拦截明显无效的请求，减少进入缓存层的恶意流量。
适配场景：key有明确格式约束（如手机号、身份证号、商品编码）。

实战代码（Spring Boot拦截器）：

/*** 手机号注册校验拦截器：拦截格式无效、高频重复的请求*/
@Component
public class PhoneCheckInterceptor implements HandlerInterceptor {// 手机号正则（严格校验：13/14/15/17/18/19开头，共11位）private static final Pattern PHONE_PATTERN = Pattern.compile("^1[3-9]\\d{9}$");// 本地缓存：记录1分钟内的请求次数（防高频重复）private final LoadingCache<String, AtomicInteger> requestCounter = Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES).maximumSize(100000) // 支持10万级手机号.build(key -> new AtomicInteger(0));@Overridepublic boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {String phone = request.getParameter("phone");// 1. 空值校验if (StringUtils.isEmpty(phone)) {return writeError(response, "手机号不能为空", HttpStatus.BAD_REQUEST);}// 2. 格式校验（拦截非手机号格式的请求）if (!PHONE_PATTERN.matcher(phone).matches()) {return writeError(response, "手机号格式无效", HttpStatus.BAD_REQUEST);}// 3. 高频请求拦截（1分钟内同一手机号请求超5次则拦截）try {AtomicInteger counter = requestCounter.get(phone);if (counter.incrementAndGet() > 5) {return writeError(response, "请求过于频繁，请1分钟后再试", HttpStatus.TOO_MANY_REQUESTS);}} catch (Exception e) {log.warn("请求计数缓存异常，phone={}", phone, e);// 缓存异常不阻断正常请求，仅降级为不拦截}return true;}// 写入错误响应private boolean writeError(HttpServletResponse response, String message, HttpStatus status) throws IOException {response.setContentType("application/json;charset=UTF-8");response.setStatus(status.value());response.getWriter().write(JSON.toJSONString(Result.fail(message)));return false;}// 注册拦截器@Configurationpublic static class WebConfig implements WebMvcConfigurer {@Overridepublic void addInterceptors(InterceptorRegistry registry) {registry.addInterceptor(new PhoneCheckInterceptor()).addPathPatterns("/api/v1/register/check");}}
}

实战效果：拦截68%的恶意请求（格式错误+高频重复），MySQL查询量降至3800QPS，CPU使用率回落至60%。

方案2：缓存空值（快速拦截无效key）

核心逻辑：对DB中不存在的key，在Redis中存储“业务空值标记”（如__EMPTY__），并设置较短过期时间（5-10分钟），避免重复穿透。
关键设计：必须区分“业务空值”（如用户未下单）和“穿透空值”（如不存在的手机号），避免业务逻辑异常。

实战代码（RedisTemplate封装）：

@Service
public class PhoneCacheService {@Autowiredprivate StringRedisTemplate redisTemplate;@Autowiredprivate UserMapper userMapper;// 穿透空值标记（与业务空值区分）private static final String EMPTY_MARKER = "__EMPTY__";// 空值过期时间（5分钟，平衡效率与一致性）private static final long EMPTY_TTL = 300;// 正常数据过期时间（1小时）private static final long NORMAL_TTL = 3600;// 缓存key前缀private static final String CACHE_KEY_PREFIX = "user:phone:registered:";/*** 检查手机号是否已注册（带空值缓存）*/public boolean isRegistered(String phone) {String cacheKey = CACHE_KEY_PREFIX + phone;// 1. 查询缓存String cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);if (cacheVal != null) {// 2. 命中空值标记：直接返回未注册if (EMPTY_MARKER.equals(cacheVal)) {log.info("空值缓存命中，phone={}", phone);return false;}// 3. 命中正常值：返回注册状态return Boolean.parseBoolean(cacheVal);}// 4. 缓存未命中：查询DBboolean exists = userMapper.existsByPhone(phone);// 5. 写入缓存（区分空值和正常值）if (exists) {redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, "true", NORMAL_TTL, TimeUnit.SECONDS);} else {redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, EMPTY_MARKER, EMPTY_TTL, TimeUnit.SECONDS);}return exists;}/*** 手机号注册成功后，清理空值缓存（避免数据不一致）*/@Transactional(rollbackFor = Exception.class)public void afterRegister(String phone) {String cacheKey = CACHE_KEY_PREFIX + phone;// 1. 删除空值缓存（若存在）redisTemplate.delete(cacheKey);// 2. 写入正常缓存redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, "true", NORMAL_TTL, TimeUnit.SECONDS);}
}

实战效果：MySQL查询量降至900QPS，缓存命中率从0%提升至85%，但空值过期后仍有少量穿透（约50QPS）。

方案3：布隆过滤器（拦截不存在的key）

核心逻辑：在缓存层前部署布隆过滤器，提前载入DB中所有有效key（如已注册手机号）。请求到达时，先通过过滤器判断key是否“可能存在”，不存在则直接拦截。
技术特性：

  • 优势：空间效率极高（存储1000万手机号仅需12MB），查询时间O(1)；
  • 局限：存在误判率（可通过参数控制，通常设为0.01%），不支持删除操作。

实战实现（Redis分布式布隆过滤器）：

@Configuration
public class BloomFilterConfig {@Autowiredprivate RedissonClient redissonClient;@Autowiredprivate UserMapper userMapper;// 布隆过滤器名称private static final String PHONE_FILTER_KEY = "bloom:user:phone";// 预期数据量（1000万已注册手机号）private static final long EXPECTED_SIZE = 10_000_000;// 误判率（0.01%）private static final double FALSE_RATE = 0.0001;/*** 初始化分布式布隆过滤器（项目启动时执行）*/@Beanpublic RBloomFilter<String> phoneBloomFilter() {RBloomFilter<String> filter = redissonClient.getBloomFilter(PHONE_FILTER_KEY);// 仅首次创建时初始化if (!filter.isExists()) {filter.tryInit(EXPECTED_SIZE, FALSE_RATE);// 分批次加载已注册手机号（避免OOM）loadPhones(filter);}return filter;}// 分批次加载手机号到过滤器private void loadPhones(RBloomFilter<String> filter) {int pageSize = 5000;int pageNum = 1;while (true) {PageHelper.startPage(pageNum, pageSize);List<String> phones = userMapper.listAllPhones();if (phones.isEmpty()) break;filter.addAll(phones); // 批量添加（性能优于单条添加）pageNum++;}log.info("布隆过滤器初始化完成，加载总量：{}", filter.count());}
}// 业务层整合布隆过滤器
@Service
public class RegisterService {@Autowiredprivate RBloomFilter<String> phoneBloomFilter;@Autowiredprivate PhoneCacheService cacheService;public ResultDTO<Boolean> checkPhone(String phone) {// 1. 布隆过滤器拦截：不存在则直接返回未注册if (!phoneBloomFilter.contains(phone)) {log.info("布隆过滤器拦截无效手机号：{}", phone);return Result.success(false);}// 2. 过滤器命中：走缓存+DB流程boolean registered = cacheService.isRegistered(phone);return Result.success(registered);}// 新用户注册时，同步更新布隆过滤器public void addPhoneToFilter(String phone) {if (!phoneBloomFilter.contains(phone)) {phoneBloomFilter.add(phone);}}
}

防御架构图：

[用户请求] → [接口层拦截器] → [Redis布隆过滤器] → [Redis缓存] → [MySQL]↓                ↓                ↓拦截无效格式    拦截不存在的key    拦截已存在的key

实战效果：布隆过滤器拦截99.6%的无效请求，MySQL查询量稳定在40QPS以内，CPU使用率降至15%，缓存命中率达99.3%。

方案4：限流降级（终极防护）

核心逻辑：通过限流组件（如Sentinel）对接口设置QPS阈值，即使前三层防御失效，也能将流量控制在DB可承载范围内。

实战代码（Sentinel配置）：

@Configuration
public class SentinelConfig {@PostConstructpublic void initRules() {// 注册校验接口限流规则：QPS阈值3000（MySQL最大承载量）FlowRule rule = new FlowRule();rule.setResource("register:check:phone"); // 资源名rule.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS); // QPS限流rule.setCount(3000); // 阈值FlowRuleManager.loadRules(Collections.singletonList(rule));}
}// 接口层应用限流
@RestController
public class RegisterController {@Autowiredprivate RegisterService registerService;@GetMapping("/api/v1/register/check")@SentinelResource(value = "register:check:phone",blockHandler = "checkBlocked" // 限流回调)public ResultDTO<Boolean> checkPhone(@RequestParam String phone) {return registerService.checkPhone(phone);}// 限流回调：返回友好提示public ResultDTO<Boolean> checkBlocked(String phone, BlockException e) {log.warn("接口限流触发，phone={}", phone);return Result.fail("系统繁忙，请稍后再试");}
}

实战效果：即使前三层防御失效，也能将接口QPS控制在3000以内，确保MySQL不被压垮。

案例2：电商商品查询的“爬虫穿透”事件

故障现场

某电商平台商品详情接口/api/v1/item/{itemId}，架构为“Redis+MySQL”，支持按商品ID查询。运营发现每日凌晨2-4点，MySQL负载异常升高（QPS 5000+），日志显示大量“item:1000001”“item:1000002”等连续不存在的商品ID请求。

根因解剖
  1. 商品ID为自增整数（从1000000开始），爬虫通过遍历ID批量抓取；
  2. 未上架商品的ID在DB中不存在，导致缓存穿透；
  3. 爬虫使用分布式节点，IP分散，传统限流难以拦截。
针对性方案：布隆过滤器+动态失效

核心优化：

  1. 布隆过滤器仅载入“已上架商品ID”（过滤未上架商品）；
  2. 商品上架时同步添加ID到过滤器，下架时通过“逻辑标记”而非删除处理（避免布隆过滤器删除缺陷）。

实战效果：MySQL凌晨查询量从5000QPS降至120QPS，问题彻底解决。

穿透防御总结

方案适用场景优点缺点实施成本
参数校验key格式固定（如手机号）无额外存储，性能高无法拦截格式合法的无效key低
缓存空值无效key量可控实现简单，无需预加载缓存膨胀风险，需处理数据同步低
布隆过滤器有效key集合稳定拦截率高，空间效率好有误判率，不支持删除中
限流降级突发流量防护兜底保障，不依赖业务规则可能影响正常用户体验中

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