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【Redis】缓存（上）

article 2024/12/22 0:11:17

为什么要使用缓存？

在日常开发中，通常使用Redis来做MySQL的缓存。究其原因，首先，根据二八定律，20%的数据可以应对80%的请求；其次，对于MySQL这样的关系型数据库来说，性能普遍都不是很高。一旦承载的并发量过高，那么就很容易造成宕机，这对生产环境造成的影响是巨大的。但是，对于缓存来说，响应速度是比较迅速的，因而就想到了使用缓存来代替数据库。

首先，想要使用缓存，那么就一定要将缓存放入到Redis中，这就涉及到了缓存的更新策略；其次，Redis的内存并不是无限的，因此就涉及到了缓存的淘汰策略；并且，热点数据可能是暂时的，因此我们在设置缓存时，还给予了一个淘汰时间，从而就涉及到了缓存的超时剔除策略。在把这些八股了解完之后，又出现了缓存预热、缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩四个重要的概念。最后，由于我们学习Redis并不只是为了八股，因此我们还要掌握代码的书写。

更新策略

在日常开发中，一般使用MySQL作为持久层来存储数据，Redis则作为缓冲层来减少对于MySQL的访问，从而防止MySQL因请求过多而宕机的危险。所以，对于Redis中的所有数据，都是来源于MySQL的，这就导致Redis可以存在不同的更新策略，例如定期更新或者实时更新。

定期生成

对于用户访问的数据，以日志的形式进行记录。对日志进行统计（统计时间不定，看具体的业务场景，统计任务可以使用定时任务的方式实现），把出现的数据进行排序，再取出前20%的数据，就认为这些数据是热点数据。再把这些数据同步到缓存服务器上，控制缓存服务器进行重启即可。

至于如何进行统计？在数据量较小的情况下，可以自制一个简单程序进行统计；在数据量较大的情况下，就需要使用大数据的一套技术栈来做。

优点是实现比较简单，缺点就是实时性差一点。

实时生成

当客户端发送请求之后，先在Redis中进行查询。如果存在数据，那么就直接返回；如果没查到，那么就去MySQL中进行查询。当查询到之后，就返回客户端，并写入到Redis中；如果没有查到，那么就属于是缓存穿透了，可以根据实际情况来做出处理。

在实际工作中，对于实时生成的更新策略一般有三种解决方案：

1. 由缓存的调用者，在修改数据库的同时，更新缓存。

2. 缓存与数据库整合成一个服务，由服务来维护一致性。调用者调用该服务，无需考虑缓存一致性问题。

3. 调用者只调用缓存，由其他线程异步的将缓存数据持久化到数据库，保持最终一致，

在三种解决方案中，一致性是由弱到强，维护成本也是由弱到强。

淘汰策略

Redis是一款内存型数据库，但是内存并不和硬盘一样，其价格是比较高昂的。因此我们在使用Redis的过程中，就要考虑当内存占满之后，如何进行淘汰才是最优的解决方案，即我们要找到对程序的性能影响是最小的方案。

通用策略

1. FIFO（first in first out）：先进先出

2. LRU（least recently used）：淘汰最久未使用的。记录每个key的最近访问时间，把最近访问时间最老的数据给淘汰掉。

3. LFU（least frequently used）：淘汰访问次数最少的。记录每个key最近一段时间的访问次数，把访问次数最少的给淘汰掉。

4. Random：随机淘汰。从数据中随机选取数据进行淘汰。

Redis配置项

1. volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的key中使用LRU算法进行淘汰。

2. allkeys-lru：当内存不足以容纳写入新数据时，从所有key中使用LRU算法进行淘汰。

3. volatile-lfu：4.0版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，在过期的key中，使⽤LFU算法进⾏删除key。

4. allkeys-lfu：4.0版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，从所有key中使⽤LFU算法进⾏淘汰。

5. volatile-random：当内存不⾜以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的key中，随机淘汰数据。

6. allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，从所有key中随机淘汰数据。

7. volatile-ttl：在设置了过期时间的key中，根据过期时间进行淘汰，越早过期的优先被淘汰（相当于FIFO，只不过是局限于过期的key）。

8. noeviction：默认策略，当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。

总的来说，Redis提供的过期策略和上述介绍的通用策略是基本一致的。只不过Redis会基于有过期时间key和全部key做分别处理。

过期策略

在Redis中，是可以给key设置过期时间的。因此我们就要考虑当key到达到期时间之后，如何对其进行删除。而Redis中，采用了定期删除+惰性删除的方式。

定期删除

定期删除并不是把所有的key都遍历一次，然后将过期的删除。而是每次抽取一小部分，进行验证是否过期（所谓的小部分，就是要保证检查过期的时间足够短）。

这里对于定期删除的时间，是有明确的要求。因为Redis是单线程的程序，如果扫描过期key消耗的时间太长。那么就会导致其他正常的请求被阻塞，从而造成其他的影响。

惰性删除

假设某个key已经到达了过期时间，但是由于定时删除还没有扫描到该key，因此仍然存在于Redis中。此时恰好要使用这个key，这次使用就会让Redis触发删除key的操作，同时再返回一个nil。

定期删除 + 惰性删除两种策略结合，仍然会有一大部分过期key被残留，没有及时删除。

定时器删除

首先，Redis并没有采用定时器来实现过期key删除。但是，如果使用定时器的方式来实现key过期删除也是一个不错的策略。所谓定时器，就是在某个时间到达之后，执行指定的任务。

对于定时器的实现，可以使用优先级队列或者时间轮的方式来实现较高效的定时器。对于Redis中没有使用定时器，可能是因为遵从了Redis单线程的基调。一旦使用定时器，那势必要引入多线程，这就可能打破设计者的初衷。

优先级队列

在Redis中，可以利用key过期时间越早，优先级就越高的方式来进行设置。将队列设置好之后，使用一个线程来扫描队首元素。只要队首没过期，那么后续的key也一定没过期。因此这个扫描线程只需要盯着队首即可。如果扫描线程发现队首key距离过期时间还很长，那么扫描线程就可以进入休眠状态，等到快过期时，再唤醒进行删除即可。如果在休眠过程中来了新的key，也需要唤醒扫描线程，再次检查队首元素是否发生了变化。

时间轮

时间轮就是把时间划分成一小段一小段，至于划分区间的大小，就具体看实际需求的多少。对于每一段时间来说，上面都是一个链表，而链表上面就挂着许许多多的key。在时间轮中，存在一个指针，这个指针首先对所在区间进行尝试，看看有没有过期的key，然后等待一定时间间隔之后，就会走到下一个区间去探测，一直循环往复。

值得注意的是，假设规定某一个为1区间，时间间隔为100ms，有10个区间，那么过期时间是1100ms的话，那也是存在于1区间。因此，指针走到某个区间并不是全部过期，而是进行测试哪个过期，哪个还在运行中。并且区间大小，区间多少等也是根据实际需求来的，并不是说规定。