如何保證緩存與數據庫的雙寫一致性？

Cache Aside Pattern

最經典的緩存+數據庫讀寫的模式，就是 Cache Aside Pattern。

讀的時候，先讀緩存，緩存沒有的話，就讀數據庫，然后取出數據后放入緩存，同時返回響應。

更新的時候，先更新數據庫，然后再刪除緩存。

為什么是刪除緩存，而不是更新緩存？

原因很簡單，很多時候，在復雜點的緩存場景，緩存不單單是數據庫中直接取出來的值。

比如可能更新了某個表的一個字段，然后其對應的緩存，是需要查詢另外兩個表的數據并進行運算，才能計算出緩存最新的值的。

另外更新緩存的代價有時候是很高的。是不是說，每次修改數據庫的時候，都一定要將其對應的緩存更新一份？也許有的場景是這樣，但是對于比較復雜的緩存數據計算的場景，就不是這樣了。如果你頻繁修改一個緩存涉及的多個表，緩存也頻繁更新。但是問題在于，這個緩存到底會不會被頻繁訪問到？

舉個栗子，一個緩存涉及的表的字段，在 1 分鐘內就修改了 20 次，或者是 100 次，那么緩存更新 20 次、100 次；但是這個緩存在 1 分鐘內只被讀取了 1 次，有大量的冷數據。實際上，如果你只是刪除緩存的話，那么在 1 分鐘內，這個緩存不過就重新計算一次而已，開銷大幅度降低，用到緩存才去算緩存。

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其實刪除緩存，而不是更新緩存，就是一個 lazy 計算的思想，不要每次都重新做復雜的計算，不管它會不會用到，而是讓它到需要被使用的時候再重新計算。像 mybatis，hibernate，都有懶加載思想。查詢一個部門，部門帶了一個員工的 list，沒有必要說每次查詢部門，都里面的 1000 個員工的數據也同時查出來啊。80% 的情況，查這個部門，就只是要訪問這個部門的信息就可以了。先查部門，同時要訪問里面的員工，那么這個時候只有在你要訪問里面的員工的時候，才會去數據庫里面查詢 1000 個員工。

最初級的緩存不一致問題及解決方案

問題：先修改數據庫，再刪除緩存。如果刪除緩存失敗了，那么會導致數據庫中是新數據，緩存中是舊數據，數據就出現了不一致。

解決思路：先刪除緩存，再修改數據庫。如果數據庫修改失敗了，那么數據庫中是舊數據，緩存中是空的，那么數據不會不一致。因為讀的時候緩存沒有，則讀數據庫中舊數據，然后更新到緩存中。

比較復雜的數據不一致問題分析

數據發(fā)生了變更，先刪除了緩存，然后要去修改數據庫，此時還沒修改。一個請求過來，去讀緩存，發(fā)現緩存空了，去查詢數據庫，查到了修改前的舊數據，放到了緩存中。隨后數據變更的程序完成了數據庫的修改。

完了，數據庫和緩存中的數據不一樣了。。。

為什么上億流量高并發(fā)場景下，緩存會出現這個問題？

只有在對一個數據在并發(fā)的進行讀寫的時候，才可能會出現這種問題。其實如果說你的并發(fā)量很低的話，特別是讀并發(fā)很低，每天訪問量就 1 萬次，那么很少的情況下，會出現剛才描述的那種不一致的場景。但是問題是，如果每天的是上億的流量，每秒并發(fā)讀是幾萬，每秒只要有數據更新的請求，就可能會出現上述的數據庫+緩存不一致的情況。

解決方案如下：

更新數據的時候，根據數據的唯一標識，將操作路由之后，發(fā)送到一個 jvm 內部隊列中。讀取數據的時候，如果發(fā)現數據不在緩存中，那么將重新讀取數據+更新緩存的操作，根據唯一標識路由之后，也發(fā)送同一個 jvm 內部隊列中。

一個隊列對應一個工作線程，每個工作線程串行拿到對應的操作，然后一條一條的執(zhí)行。這樣的話，一個數據變更的操作，先刪除緩存，然后再去更新數據庫，但是還沒完成更新。此時如果一個讀請求過來，讀到了空的緩存，那么可以先將緩存更新的請求發(fā)送到隊列中，此時會在隊列中積壓，然后同步等待緩存更新完成。

這里有一個優(yōu)化點，一個隊列中，其實多個更新緩存請求串在一起是沒意義的，因此可以做過濾，如果發(fā)現隊列中已經有一個更新緩存的請求了，那么就不用再放個更新請求操作進去了，直接等待前面的更新操作請求完成即可。

待那個隊列對應的工作線程完成了上一個操作的數據庫的修改之后，才會去執(zhí)行下一個操作，也就是緩存更新的操作，此時會從數據庫中讀取最新的值，然后寫入緩存中。

如果請求還在等待時間范圍內，不斷輪詢發(fā)現可以取到值了，那么就直接返回；如果請求等待的時間超過一定時長，那么這一次直接從數據庫中讀取當前的舊值。

高并發(fā)的場景下，該解決方案要注意的問題：

1、讀請求長時阻塞

由于讀請求進行了非常輕度的異步化，所以一定要注意讀超時的問題，每個讀請求必須在超時時間范圍內返回。

該解決方案，最大的風險點在于說，可能數據更新很頻繁，導致隊列中積壓了大量更新操作在里面，然后讀請求會發(fā)生大量的超時，最后導致大量的請求直接走數據庫。務必通過一些模擬真實的測試，看看更新數據的頻率是怎樣的。

另外一點，因為一個隊列中，可能會積壓針對多個數據項的更新操作，因此需要根據自己的業(yè)務情況進行測試，可能需要部署多個服務，每個服務分攤一些數據的更新操作。如果一個內存隊列里居然會擠壓 100 個商品的庫存修改操作，每隔庫存修改操作要耗費 10ms 去完成，那么最后一個商品的讀請求，可能等待 10 * 100 = 1000ms = 1s 后，才能得到數據，這個時候就導致讀請求的長時阻塞。

一定要做根據實際業(yè)務系統(tǒng)的運行情況，去進行一些壓力測試，和模擬線上環(huán)境，去看看最繁忙的時候，內存隊列可能會擠壓多少更新操作，可能會導致最后一個更新操作對應的讀請求，會 hang 多少時間，如果讀請求在 200ms 返回，如果你計算過后，哪怕是最繁忙的時候，積壓 10 個更新操作，最多等待 200ms，那還可以的。

如果一個內存隊列中可能積壓的更新操作特別多，那么你就要加機器，讓每個機器上部署的服務實例處理更少的數據，那么每個內存隊列中積壓的更新操作就會越少。

其實根據之前的項目經驗，一般來說，數據的寫頻率是很低的，因此實際上正常來說，在隊列中積壓的更新操作應該是很少的。像這種針對讀高并發(fā)、讀緩存架構的項目，一般來說寫請求是非常少的，每秒的 QPS 能到幾百就不錯了。

實際粗略測算一下

如果一秒有 500 的寫操作，如果分成 5 個時間片，每 200ms 就 100 個寫操作，放到 20 個內存隊列中，每個內存隊列，可能就積壓 5 個寫操作。每個寫操作性能測試后，一般是在 20ms 左右就完成，那么針對每個內存隊列的數據的讀請求，也就最多 hang 一會兒，200ms 以內肯定能返回了。

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經過剛才簡單的測算，我們知道，單機支撐的寫 QPS 在幾百是沒問題的，如果寫 QPS 擴大了 10 倍，那么就擴容機器，擴容 10 倍的機器，每個機器 20 個隊列。

2、讀請求并發(fā)量過高

這里還必須做好壓力測試，確保恰巧碰上上述情況的時候，還有一個風險，就是突然間大量讀請求會在幾十毫秒的延時 hang 在服務上，看服務能不能扛的住，需要多少機器才能扛住最大的極限情況的峰值。

但是因為并不是所有的數據都在同一時間更新，緩存也不會同一時間失效，所以每次可能也就是少數數據的緩存失效了，然后那些數據對應的讀請求過來，并發(fā)量應該也不會特別大。

3、多服務實例部署的請求路由

可能這個服務部署了多個實例，那么必須保證說，執(zhí)行數據更新操作，以及執(zhí)行緩存更新操作的請求，都通過 Nginx 服務器路由到相同的服務實例上。

比如說，對同一個商品的讀寫請求，全部路由到同一臺機器上。可以自己去做服務間的按照某個請求參數的 hash 路由，也可以用 Nginx 的 hash 路由功能等等。

4、熱點商品的路由問題，導致請求的傾斜

萬一某個商品的讀寫請求特別高，全部打到相同的機器的相同的隊列里面去了，可能會造成某臺機器的壓力過大。就是說，因為只有在商品數據更新的時候才會清空緩存，然后才會導致讀寫并發(fā)，所以其實要根據業(yè)務系統(tǒng)去看，如果更新頻率不是太高的話，這個問題的影響并不是特別大，但是的確可能某些機器的負載會高一些。