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learn.lianglianglee.com/专栏/Java并发编程实战/43 如何使用缓存优化系统性能？.md.html
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>43 如何使用缓存优化系统性能？</h1>
<p>你好，我是刘超。</p>
<p>缓存是我们提高系统性能的一项必不可少的技术，无论是前端、还是后端，都应用到了缓存技术。前端使用缓存，可以降低多次请求服务的压力；后端使用缓存，可以降低数据库操作的压力，提升读取数据的性能。</p>
<p>今天我们将从前端到服务端，系统了解下各个层级的缓存实现，并分别了解下各类缓存的优缺点以及应用场景。</p>
<h2>前端缓存技术</h2>
<p>如果你是一位 Java 开发工程师，你可能会想，我们有必要去了解前端的技术吗？</p>
<p>不想当将军的士兵不是好士兵，作为一个技术人员，不想做架构师的开发不是好开发。作为架构工程师的话，我们就很有必要去了解前端的知识点了，这样有助于我们设计和优化系统。前端做缓存，可以缓解服务端的压力，减少带宽的占用，同时也可以提升前端的查询性能。</p>
<h3>1. 本地缓存</h3>
<p>平时使用拦截器（例如 Fiddler）或浏览器 Debug 时，我们经常会发现一些接口返回 304 状态码 + Not Modified 字符串，如下图中的极客时间 Web 首页。</p>
<p><img src="assets/5ae757f7c5b12901d4422b5722c0647b.png" alt="img" /></p>
<p>如果我们对前端缓存技术不了解，就很容易对此感到困惑。浏览器常用的一种缓存就是这种基于 304 响应状态实现的本地缓存了，通常这种缓存被称为协商缓存。</p>
<p>协商缓存，顾名思义就是与服务端协商之后，通过协商结果来判断是否使用本地缓存。</p>
<p>一般协商缓存可以基于请求头部中的 If-Modified-Since 字段与返回头部中的 Last-Modified 字段实现，也可以基于请求头部中的 If-None-Match 字段与返回头部中的 ETag 字段来实现。</p>
<p>两种方式的实现原理是一样的，前者是基于时间实现的，后者是基于一个唯一标识实现的，相对来说后者可以更加准确地判断文件内容是否被修改，避免由于时间篡改导致的不可靠问题。下面我们再来了解下整个缓存的实现流程：</p>
<ul>
<li>当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在 Response 头部加上 ETag 唯一标识，这个唯一标识的值是根据当前请求的资源生成的；</li>
<li>当浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，会在 Request 头部加上 If-None-Match 字段，该字段的值就是 Response 头部加上 ETag 唯一标识；</li>
<li>服务器再次收到请求后，会根据请求中的 If-None-Match 值与当前请求的资源生成的唯一标识进行比较，如果值相等，则返回 304 Not Modified，如果不相等，则在 Response 头部加上新的 ETag 唯一标识，并返回资源；</li>
<li>如果浏览器收到 304 的请求响应状态码，则会从本地缓存中加载资源，否则更新资源。</li>
</ul>
<p>本地缓存中除了这种协商缓存，还有一种就是强缓存的实现。</p>
<p>强缓存指的是只要判断缓存没有过期，则直接使用浏览器的本地缓存。如下图中，返回的是 200 状态码，但在 size 项中标识的是 memory cache。</p>
<p><img src="assets/0a169df1141f31326b4b6ab331ab3748.png" alt="img" /></p>
<p>强缓存是利用 Expires 或者 Cache-Control 这两个 HTTP Response Header 实现的，它们都用来表示资源在客户端缓存的有效期。</p>
<p>Expires 是一个绝对时间，而 Cache-Control 是一个相对时间，即一个过期时间大小，与协商缓存一样，基于 Expires 实现的强缓存也会因为时间问题导致缓存管理出现问题。我建议使用 Cache-Control 来实现强缓存。具体的实现流程如下：</p>
<ul>
<li>当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在 Response 头部加上 Cache-Control，Cache-Control 中设置了过期时间大小；</li>
<li>浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，会先通过请求资源的时间与 Cache-Control 中设置的过期时间大小，来计算出该资源是否过期，如果没有，则使用该缓存，否则请求服务器；</li>
<li>服务器再次收到请求后，会再次更新 Response 头部的 Cache-Control。</li>
</ul>
<h3>2. 网关缓存</h3>
<p>除了以上本地缓存，我们还可以在网关中设置缓存，也就是我们熟悉的 CDN。</p>
<p>CDN 缓存是通过不同地点的缓存节点缓存资源副本，当用户访问相应的资源时，会调用最近的 CDN 节点返回请求资源，这种方式常用于视频资源的缓存。</p>
<h2>服务层缓存技术</h2>
<p>前端缓存一般用于缓存一些不常修改的常量数据或一些资源文件，大部分接口请求的数据都缓存在了服务端，方便统一管理缓存数据。</p>
<p>服务端缓存的初衷是为了提升系统性能。例如，数据库由于并发查询压力过大，可以使用缓存减轻数据库压力；在后台管理中的一些报表计算类数据，每次请求都需要大量计算，消耗系统 CPU 资源，我们可以使用缓存来保存计算结果。</p>
<p>服务端的缓存也分为进程缓存和分布式缓存，在 Java 中进程缓存就是 JVM 实现的缓存，常见的有我们经常使用的容器类，ArrayList、ConcurrentHashMap 等，分布式缓存则是基于 Redis 实现的缓存。</p>
<h3>1. 进程缓存</h3>
<p>对于进程缓存，虽然数据的存取会更加高效，但 JVM 的堆内存数量是有限的，且在分布式环境下很难同步各个服务间的缓存更新，所以我们一般缓存一些数据量不大、更新频率较低的数据。常见的实现方式如下：</p>
<pre><code>// 静态常量
public final staticS String url = &quot;https://time.geekbang.org&quot;;
//list 容器
public static List&lt;String&gt; cacheList = new Vector&lt;String&gt;();
//map 容器
private static final Map&lt;String, Object&gt; cacheMap= new ConcurrentHashMap&lt;String, Object&gt;();
</code></pre>
<p>除了 Java 自带的容器可以实现进程缓存，我们还可以基于 Google 实现的一套内存缓存组件 Guava Cache 来实现。</p>
<p>Guava Cache 适用于高并发的多线程缓存，它和 ConcurrentHashMap 一样，都是基于分段锁实现的并发缓存。</p>
<p>Guava Cache 同时也实现了数据淘汰机制，当我们设置了缓存的最大值后，当存储的数据超过了最大值时，它就会使用 LRU 算法淘汰数据。我们可以通过以下代码了解下 Guava Cache 的实现：</p>
<pre><code>public class GuavaCacheDemo {
public static void main(String[] args) {
Cache&lt;String,String&gt; cache = CacheBuilder.newBuilder()
.maximumSize(2)
.build();
cache.put(&quot;key1&quot;,&quot;value1&quot;);
cache.put(&quot;key2&quot;,&quot;value2&quot;);
cache.put(&quot;key3&quot;,&quot;value3&quot;);
System.out.println(&quot; 第一个值：&quot; + cache.getIfPresent(&quot;key1&quot;));
System.out.println(&quot; 第二个值：&quot; + cache.getIfPresent(&quot;key2&quot;));
System.out.println(&quot; 第三个值：&quot; + cache.getIfPresent(&quot;key3&quot;));
}
}
</code></pre>
<p>运行结果：</p>
<pre><code>第一个值：null
第二个值：value2
第三个值：value3
</code></pre>
<p>那如果我们的数据量比较大，且数据更新频繁，又是在分布式部署的情况下，想要使用 JVM 堆内存作为缓存，这时我们又该如何去实现呢？</p>
<p>Ehcache 是一个不错的选择，Ehcache 经常在 Hibernate 中出现，主要用来缓存查询数据结果。Ehcache 是 Apache 开源的一套缓存管理类库，是基于 JVM 堆内存实现的缓存，同时具备多种缓存失效策略，支持磁盘持久化以及分布式缓存机制。</p>
<h3>2. 分布式缓存</h3>
<p>由于高并发对数据一致性的要求比较严格，我一般不建议使用 Ehcache 缓存有一致性要求的数据。对于分布式缓存，我们建议使用 Redis 来实现，Redis 相当于一个内存数据库，由于是纯内存操作，又是基于单线程串行实现，查询性能极高，读速度超过了 10W 次 / 秒。</p>
<p>Redis 除了高性能的特点之外，还支持不同类型的数据结构，常见的有 string、list、set、hash 等，还支持数据淘汰策略、数据持久化以及事务等。</p>
<p>两种缓存讲完了，接下来我们看看其中可能出现的问题。</p>
<h3>数据库与缓存数据一致性问题</h3>
<p>在查询缓存数据时，我们会先读取缓存，如果缓存中没有该数据，则会去数据库中查询，之后再放入到缓存中。</p>
<p>当我们的数据被缓存之后，一旦数据被修改（修改时也是删除缓存中的数据）或删除，我们就需要同时操作缓存和数据库。这时，就会存在一个数据不一致的问题。</p>
<p>例如，在并发情况下，当 A 操作使得数据发生删除变更，那么该操作会先删除缓存中的数据，之后再去删除数据库中的数据，此时若是还没有删除成功，另外一个请求查询操作 B 进来了，发现缓存中已经没有了数据，则会去数据库中查询，此时发现有数据，B 操作获取之后又将数据存放在了缓存中，随后数据库的数据又被删除了。此时就出现了数据不一致的情况。</p>
<p>那如果先删除数据库，再删除缓存呢？</p>
<p>我们可以试一试。在并发情况下，当 A 操作使得数据发生删除变更，那么该操作会先删除了数据库的操作，接下来删除缓存，失败了，那么缓存中的数据没有被删除，而数据库的数据已经被删除了，同样会存在数据不一致的问题。</p>
<p>所以，我们还是需要先做缓存删除操作，再去完成数据库操作。那我们又该如何避免高并发下，数据更新删除操作所带来的数据不一致的问题呢？</p>
<p>通常的解决方案是，如果我们需要使用一个线程安全队列来缓存更新或删除的数据，当 A 操作变更数据时，会先删除一个缓存数据，此时通过线程安全的方式将缓存数据放入到队列中，并通过一个线程进行数据库的数据删除操作。</p>
<p>当有另一个查询请求 B 进来时，如果发现缓存中没有该值，则会先去队列中查看该数据是否正在被更新或删除，如果队列中有该数据，则阻塞等待，直到 A 操作数据库成功之后，唤醒该阻塞线程，再去数据库中查询该数据。</p>
<p>但其实这种实现也存在很多缺陷，例如，可能存在读请求被长时间阻塞，高并发时低吞吐量等问题。所以我们在考虑缓存时，如果数据更新比较频繁且对数据有一定的一致性要求，我通常不建议使用缓存。</p>
<h3>缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩</h3>
<p>对于分布式缓存实现大数据的存储，除了数据不一致的问题以外，还有缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩等问题，我们平时实现缓存代码时，应该充分、全面地考虑这些问题。</p>
<p>缓存穿透是指大量查询没有命中缓存，直接去到数据库中查询，如果查询量比较大，会导致数据库的查询流量大，对数据库造成压力。</p>
<p>通常有两种解决方案，一种是将第一次查询的空值缓存起来，同时设置一个比较短的过期时间。但这种解决方案存在一个安全漏洞，就是当黑客利用大量没有缓存的 key 攻击系统时，缓存的内存会被占满溢出。</p>
<p>另一种则是使用布隆过滤算法（BloomFilter），该算法可以用于检查一个元素是否存在，返回结果有两种：可能存在或一定不存在。这种情况很适合用来解决故意攻击系统的缓存穿透问题，在最初缓存数据时也将 key 值缓存在布隆过滤器的 BitArray 中，当有 key 值查询时，对于一定不存在的 key 值，我们可以直接返回空值，对于可能存在的 key 值，我们会去缓存中查询，如果没有值，再去数据库中查询。</p>
<p>BloomFilter 的实现原理与 Redis 中的 BitMap 类似，首先初始化一个 m 长度的数组，并且每个 bit 初始化值都是 0，当插入一个元素时，会使用 n 个 hash 函数来计算出 n 个不同的值，分别代表所在数组的位置，然后再将这些位置的值设置为 1。</p>
<p>假设我们插入两个 key 值分别为 20,28 的元素，通过两次哈希函数取模后的值分别为 4,9 以及 14,19，因此 4,9 以及 14,19 都被设置为 1。</p>
<p><img src="assets/d939bf92331838da581c4b500e7473a3.jpg" alt="img" /></p>
<p>那为什么说 BloomFilter 返回的结果是可能存在和一定不存在呢？</p>
<p>假设我们查找一个元素 25，通过 n 次哈希函数取模后的值为 1,9,14。此时在 BitArray 中肯定是不存在的。而当我们查找一个元素 21 的时候，n 次哈希函数取模后的值为 9,14，此时会返回可能存在的结果，但实际上是不存在的。</p>
<p>BloomFilter 不允许删除任何元素的，为什么？假设以上 20,25,28 三个元素都存在于 BitArray 中，取模的位置值分别为 4,9、1,9,14 以及 14,19，如果我们要删除元素 25，此时需要将 1,9,14 的位置都置回 0，这样就影响 20,28 元素了。</p>
<p>因此，BloomFilter 是不允许删除任何元素的，这样会导致已经删除的元素依然返回可能存在的结果，也会影响 BloomFilter 判断的准确率，解决的方法则是重建一个 BitArray。</p>
<p>那什么缓存击穿呢？在高并发情况下，同时查询一个 key 时，key 值由于某种原因突然失效（设置过期时间或缓存服务宕机），就会导致同一时间，这些请求都去查询数据库了。这种情况经常出现在查询热点数据的场景中。通常我们会在查询数据库时，使用排斥锁来实现有序地请求数据库，减少数据库的并发压力。</p>
<p>缓存雪崩则与缓存击穿差不多，区别就是失效缓存的规模。雪崩一般是指发生大规模的缓存失效情况，例如，缓存的过期时间同一时间过期了，缓存服务宕机了。对于大量缓存的过期时间同一时间过期的问题，我们可以采用分散过期时间来解决；而针对缓存服务宕机的情况，我们可以采用分布式集群来实现缓存服务。</p>
<h2>总结</h2>
<p>从前端到后端，对于一些不常变化的数据，我们都可以将其缓存起来，这样既可以提高查询效率，又可以降低请求后端的压力。对于前端来说，一些静态资源文件都是会被缓存在浏览器端，除了静态资源文件，我们还可以缓存一些常量数据，例如商品信息。</p>
<p>服务端的缓存，包括了 JVM 的堆内存作为缓存以及 Redis 实现的分布式缓存。如果是一些不常修改的数据，数据量小，且对缓存数据没有严格的一致性要求，我们就可以使用堆内存缓存数据，这样既实现简单，查询也非常高效。如果数据量比较大，且是经常被修改的数据，或对缓存数据有严格的一致性要求，我们就可以使用分布式缓存来存储。</p>
<p>在使用后端缓存时，我们应该注意数据库和缓存数据的修改导致的数据不一致问题，如果对缓存与数据库数据有非常严格的一致性要求，我就不建议使用缓存了。</p>
<p>同时，我们应该针对大量请求缓存的接口做好预防工作，防止查询缓存的接口出现缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩等问题。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>在基于 Redis 实现的分布式缓存中，我们更新数据时，为什么建议直接将缓存中的数据删除，而不是更新缓存中的数据呢？</p>
</div>
</div>
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