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缓存与数据库一致性问题深度剖析

开发技术 开发技术 2周前 (09-04) 18次浏览

前言

本篇文章是我之前系列文章中的一篇,主要讨论了我们在平时的开发过程中,各大系统中都要用到的缓存数据的问题,进一步延伸到数据库和缓存的双写一致性问题,并且给出了所有方案的实现代码方便大家参考。

本篇文章主要内容

  • 数据缓存
    • 为何要使用缓存
    • 哪类数据适合缓存
    • 缓存的利与弊
  • 如何保证缓存和数据库一致性
    • 不更新缓存,而是删除缓存
    • 先操作缓存,还是先操作数据库
    • 非要保证数据库和缓存数据强一致该怎么办
  • 缓存和数据库一致性实战
    • 实战:先删除缓存,再更新数据库
    • 实战:先更新数据库,再删缓存
    • 实战:缓存延时双删
    • 实战:删除缓存重试机制
    • 实战:读取binlog异步删除缓存

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项目源码在这里

https://github.com/qqxx6661/miaosha

数据缓存

在我们实际的业务场景中,一定有很多需要做数据缓存的场景,比如售卖商品的页面,包括了许多并发访问量很大的数据,它们可以称作是是“热点”数据,这些数据有一个特点,就是更新频率低,读取频率高,这些数据应该尽量被缓存,从而减少请求打到数据库上的机会,减轻数据库的压力。

为何要使用缓存

缓存是为了追求“快”而存在的。我们用代码举一个例子。

我在自己的Demo代码仓库中增加了两个查询库存的接口getStockByDB和getStockByCache,分别表示从数据库和缓存查询某商品的库存量。

随后我们用JMeter进行并发请求测试。(JMeter的使用请参考我之前写的文章:点击这里)

需要声明的是,我的测试并不严谨,只是作对比测试,不要作为实际服务性能的参考。

这是两个接口的代码:

/**
 * 查询库存:通过数据库查询库存
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/getStockByDB/{sid}")
@ResponseBody
public String getStockByDB(@PathVariable int sid) {
    int count;
    try {
        count = stockService.getStockCountByDB(sid);
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("查询库存失败:[{}]", e.getMessage());
        return "查询库存失败";
    }
    LOGGER.info("商品Id: [{}] 剩余库存为: [{}]", sid, count);
    return String.format("商品Id: %d 剩余库存为:%d", sid, count);
}

/**
 * 查询库存:通过缓存查询库存
 * 缓存命中:返回库存
 * 缓存未命中:查询数据库写入缓存并返回
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/getStockByCache/{sid}")
@ResponseBody
public String getStockByCache(@PathVariable int sid) {
    Integer count;
    try {
        count = stockService.getStockCountByCache(sid);
        if (count == null) {
            count = stockService.getStockCountByDB(sid);
            LOGGER.info("缓存未命中,查询数据库,并写入缓存");
            stockService.setStockCountToCache(sid, count);
        }
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("查询库存失败:[{}]", e.getMessage());
        return "查询库存失败";
    }
    LOGGER.info("商品Id: [{}] 剩余库存为: [{}]", sid, count);
    return String.format("商品Id: %d 剩余库存为:%d", sid, count);
}

首先设置为10000个并发请求的情况下,运行JMeter,结果首先出现了大量的报错,10000个请求中98%的请求都直接失败了。让人很慌张~

打开日志,报错如下:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

SpringBoot内置的Tomcat最大并发数搞的鬼,其默认值为200,对于10000的并发,单机服务实在是力不从心。当然,你可以修改这里的并发数设置,但是你的小机器仍然可能会扛不住。

缓存与数据库一致性问题深度剖析

将其修改为如下配置后,我的小机器才在通过缓存拿库存的情况下,保证了10000个并发的100%返回请求:

server.tomcat.max-threads=10000
server.tomcat.max-connections=10000

可以看到,不使用缓存的情况下,吞吐量为668个请求每秒

缓存与数据库一致性问题深度剖析

使用缓存的情况下,吞吐量为2177个请求每秒

缓存与数据库一致性问题深度剖析

在这种“十分不严谨”的对比下,有缓存对于一台单机,性能提升了3倍多,如果在多台机器,更多并发的情况下,由于数据库有了更大的压力,缓存的性能优势应该会更加明显。

测完了这个小实验,我看了眼我挂着MySql的小水管腾讯云服务器,生怕他被这么高流量搞挂。这种突发的流量,指不定会被检测为异常攻击流量呢~

缓存与数据库一致性问题深度剖析

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缓存与数据库一致性问题深度剖析

哪类数据适合缓存

缓存量大但又不常变化的数据,比如详情,评论等。对于那些经常变化的数据,其实并不适合缓存,一方面会增加系统的复杂性(缓存的更新,缓存脏数据),另一方面也给系统带来一定的不稳定性(缓存系统的维护)。

但一些极端情况下,你需要将一些会变动的数据进行缓存,比如想要页面显示准实时的库存数,或者其他一些特殊业务场景。这时候你需要保证缓存不能(一直)有脏数据,这就需要再深入讨论一下。

缓存的利与弊

我们到底该不该上缓存的,这其实也是个trade-off(权衡)的问题。

上缓存的优点:

  • 能够缩短服务的响应时间,给用户带来更好的体验。
  • 能够增大系统的吞吐量,依然能够提升用户体验。
  • 减轻数据库的压力,防止高峰期数据库被压垮,导致整个线上服务BOOM!

上了缓存,也会引入很多额外的问题:

  • 缓存有多种选型,是内存缓存,memcached还是redis,你是否都熟悉,如果不熟悉,无疑增加了维护的难度(本来是个纯洁的数据库系统)。
  • 缓存系统也要考虑分布式,比如redis的分布式缓存还会有很多坑,无疑增加了系统的复杂性。
  • 在特殊场景下,如果对缓存的准确性有非常高的要求,就必须考虑缓存和数据库的一致性问题

本文想要重点讨论的,就是缓存和数据库的一致性问题,各位看官且往下看。

如何保证缓存和数据库一致性

说了这么多缓存的必要性,那么使用缓存是不是就是一个很简单的事情了呢,我之前也一直是这么觉得的,直到遇到了需要缓存与数据库保持强一致的场景,才知道让数据库数据和缓存数据保持一致性是一门很高深的学问。

从远古的硬件缓存,操作系统缓存开始,缓存就是一门独特的学问。这个问题也被业界探讨了非常久,争论至今。我翻阅了很多资料,发现其实这是一个权衡的问题。值得好好讲讲。

以下的讨论会引入几方观点,我会跟着观点来写代码验证所提到的问题。

不更新缓存,而是删除缓存

大部分观点认为,做缓存不应该是去更新缓存,而是应该删除缓存,然后由下个请求去去缓存,发现不存在后再读取数据库,写入缓存。

观点引用:《分布式之数据库和缓存双写一致性方案解析》孤独烟

原因一:线程安全角度

同时有请求A和请求B进行更新操作,那么会出现

(1)线程A更新了数据库

(2)线程B更新了数据库

(3)线程B更新了缓存

(4)线程A更新了缓存

这就出现请求A更新缓存应该比请求B更新缓存早才对,但是因为网络等原因,B却比A更早更新了缓存。这就导致了脏数据,因此不考虑。

原因二:业务场景角度

有如下两点:

(1)如果你是一个写数据库场景比较多,而读数据场景比较少的业务需求,采用这种方案就会导致,数据压根还没读到,缓存就被频繁的更新,浪费性能。

(2)如果你写入数据库的值,并不是直接写入缓存的,而是要经过一系列复杂的计算再写入缓存。那么,每次写入数据库后,都再次计算写入缓存的值,无疑是浪费性能的。显然,删除缓存更为适合。

其实如果业务非常简单,只是去数据库拿一个值,写入缓存,那么更新缓存也是可以的。但是,淘汰缓存操作简单,并且带来的副作用只是增加了一次cache miss,建议作为通用的处理方式。

先操作缓存,还是先操作数据库

那么问题就来了,我们是先删除缓存,然后再更新数据库,还是先更新数据库,再删缓存呢?

先来看看大佬们怎么说。

《【58沈剑架构系列】缓存架构设计细节二三事》58沈剑:

对于一个不能保证事务性的操作,一定涉及“哪个任务先做,哪个任务后做”的问题,解决这个问题的方向是:如果出现不一致,谁先做对业务的影响较小,就谁先执行。

假设先淘汰缓存,再写数据库:第一步淘汰缓存成功,第二步写数据库失败,则只会引发一次Cache miss。

假设先写数据库,再淘汰缓存:第一步写数据库操作成功,第二步淘汰缓存失败,则会出现DB中是新数据,Cache中是旧数据,数据不一致。

沈剑老师说的没有问题,不过没完全考虑好并发请求时的数据脏读问题,让我们再来看看孤独烟老师《分布式之数据库和缓存双写一致性方案解析》:

先删缓存,再更新数据库

该方案会导致请求数据不一致

同时有一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形:

(1)请求A进行写操作,删除缓存

(2)请求B查询发现缓存不存在

(3)请求B去数据库查询得到旧值

(4)请求B将旧值写入缓存

(5)请求A将新值写入数据库

上述情况就会导致不一致的情形出现。而且,如果不采用给缓存设置过期时间策略,该数据永远都是脏数据。

所以先删缓存,再更新数据库并不是一劳永逸的解决方案,再看看先更新数据库,再删缓存这种方案怎么样?

先更新数据库,再删缓存这种情况不存在并发问题么?

不是的。假设这会有两个请求,一个请求A做查询操作,一个请求B做更新操作,那么会有如下情形产生

(1)缓存刚好失效

(2)请求A查询数据库,得一个旧值

(3)请求B将新值写入数据库

(4)请求B删除缓存

(5)请求A将查到的旧值写入缓存

ok,如果发生上述情况,确实是会发生脏数据。

然而,发生这种情况的概率又有多少呢?

发生上述情况有一个先天性条件,就是步骤(3)的写数据库操作比步骤(2)的读数据库操作耗时更短,才有可能使得步骤(4)先于步骤(5)。可是,大家想想,数据库的读操作的速度远快于写操作的(不然做读写分离干嘛,做读写分离的意义就是因为读操作比较快,耗资源少),因此步骤(3)耗时比步骤(2)更短,这一情形很难出现。

先更新数据库,再删缓存依然会有问题,不过,问题出现的可能性会因为上面说的原因,变得比较低!

所以,如果你想实现基础的缓存数据库双写一致的逻辑,那么在大多数情况下,在不想做过多设计,增加太大工作量的情况下,请先更新数据库,再删缓存!

我非要数据库和缓存数据强一致怎么办

那么,如果我非要保证绝对一致性怎么办,先给出结论:

没有办法做到绝对的一致性,这是由CAP理论决定的,缓存系统适用的场景就是非强一致性的场景,所以它属于CAP中的AP。

所以,我们得委曲求全,可以去做到BASE理论中说的最终一致性

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本,在经过一段时间的同步后,最终能够达到一个一致的状态。因此,最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致,而不需要实时保证系统数据的强一致性

大佬们给出了到达最终一致性的解决思路,主要是针对上面两种双写策略(先删缓存,再更新数据库/先更新数据库,再删缓存)导致的脏数据问题,进行相应的处理,来保证最终一致性。

缓存延时双删

问:先删除缓存,再更新数据库中避免脏数据?

答案:采用延时双删策略。

上文我们提到,在先删除缓存,再更新数据库的情况下,如果不采用给缓存设置过期时间策略,该数据永远都是脏数据。

那么延时双删怎么解决这个问题呢?

(1)先淘汰缓存

(2)再写数据库(这两步和原来一样)

(3)休眠1秒,再次淘汰缓存

这么做,可以将1秒内所造成的缓存脏数据,再次删除。

那么,这个1秒怎么确定的,具体该休眠多久呢?

针对上面的情形,读者应该自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时。然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上,加几百ms即可。这么做的目的,就是确保读请求结束,写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。

如果你用了mysql的读写分离架构怎么办?

ok,在这种情况下,造成数据不一致的原因如下,还是两个请求,一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。

(1)请求A进行写操作,删除缓存

(2)请求A将数据写入数据库了,

(3)请求B查询缓存发现,缓存没有值

(4)请求B去从库查询,这时,还没有完成主从同步,因此查询到的是旧值

(5)请求B将旧值写入缓存

(6)数据库完成主从同步,从库变为新值

上述情形,就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是,睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上,加几百ms。

采用这种同步淘汰策略,吞吐量降低怎么办?

ok,那就将第二次删除作为异步的。自己起一个线程,异步删除。这样,写的请求就不用沉睡一段时间后了,再返回。这么做,加大吞吐量。

所以在先删除缓存,再更新数据库的情况下,可以使用延时双删的策略,来保证脏数据只会存活一段时间,就会被准确的数据覆盖。

在先更新数据库,再删缓存的情况下,缓存出现脏数据的情况虽然可能性极小,但也会出现。我们依然可以用延时双删策略,在请求A对缓存写入了脏的旧值之后,再次删除缓存。来保证去掉脏缓存。

删缓存失败了怎么办:重试机制

看似问题都已经解决了,但其实,还有一个问题没有考虑到,那就是删除缓存的操作,失败了怎么办?比如延时双删的时候,第二次缓存删除失败了,那不还是没有清除脏数据吗?

解决方案就是再加上一个重试机制,保证删除缓存成功。

参考孤独烟老师给的方案图:

方案一:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

流程如下所示

(1)更新数据库数据;

(2)缓存因为种种问题删除失败

(3)将需要删除的key发送至消息队列

(4)自己消费消息,获得需要删除的key

(5)继续重试删除操作,直到成功

然而,该方案有一个缺点,对业务线代码造成大量的侵入。于是有了方案二,在方案二中,启动一个订阅程序去订阅数据库的binlog,获得需要操作的数据。在应用程序中,另起一段程序,获得这个订阅程序传来的信息,进行删除缓存操作。

方案二:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

流程如下图所示:

(1)更新数据库数据

(2)数据库会将操作信息写入binlog日志当中

(3)订阅程序提取出所需要的数据以及key

(4)另起一段非业务代码,获得该信息

(5)尝试删除缓存操作,发现删除失败

(6)将这些信息发送至消息队列

(7)重新从消息队列中获得该数据,重试操作。

而读取binlog的中间件,可以采用阿里开源的canal

好了,到这里我们已经把缓存双写一致性的思路彻底梳理了一遍,下面就是我对这几种思路徒手写的实战代码,方便有需要的朋友参考。

缓存和数据库一致性实战

实战:先删除缓存,再更新数据库

终于到了实战,我们在秒杀项目的代码上增加接口:先删除缓存,再更新数据库

OrderController中新增:

/**
 * 下单接口:先删除缓存,再更新数据库
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/createOrderWithCacheV1/{sid}")
@ResponseBody
public String createOrderWithCacheV1(@PathVariable int sid) {
    int count = 0;
    try {
        // 删除库存缓存
        stockService.delStockCountCache(sid);
        // 完成扣库存下单事务
        orderService.createPessimisticOrder(sid);
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("购买失败:[{}]", e.getMessage());
        return "购买失败,库存不足";
    }
    LOGGER.info("购买成功,剩余库存为: [{}]", count);
    return String.format("购买成功,剩余库存为:%d", count);
}

stockService中新增:

@Override
public void delStockCountCache(int id) {
    String hashKey = CacheKey.STOCK_COUNT.getKey() + "_" + id;
    stringRedisTemplate.delete(hashKey);
    LOGGER.info("删除商品id:[{}] 缓存", id);
}

其他涉及的代码都在之前三篇文章中有介绍,并且可以直接去Github拿到项目源码,就不在这里重复贴了。

实战:先更新数据库,再删缓存

如果是先更新数据库,再删缓存,那么代码只是在业务顺序上颠倒了一下,这里就只贴OrderController中新增:

/**
 * 下单接口:先更新数据库,再删缓存
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/createOrderWithCacheV2/{sid}")
@ResponseBody
public String createOrderWithCacheV2(@PathVariable int sid) {
    int count = 0;
    try {
        // 完成扣库存下单事务
        orderService.createPessimisticOrder(sid);
        // 删除库存缓存
        stockService.delStockCountCache(sid);
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("购买失败:[{}]", e.getMessage());
        return "购买失败,库存不足";
    }
    LOGGER.info("购买成功,剩余库存为: [{}]", count);
    return String.format("购买成功,剩余库存为:%d", count);
}

实战:缓存延时双删

如何做延时双删呢,最好的方法是开设一个线程池,在线程中删除key,而不是使用Thread.sleep进行等待,这样会阻塞用户的请求。

更新前先删除缓存,然后更新数据,再延时删除缓存。

OrderController中新增接口:


// 延时时间:预估读数据库数据业务逻辑的耗时,用来做缓存再删除
private static final int DELAY_MILLSECONDS = 1000;


/**
 * 下单接口:先删除缓存,再更新数据库,缓存延时双删
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/createOrderWithCacheV3/{sid}")
@ResponseBody
public String createOrderWithCacheV3(@PathVariable int sid) {
    int count;
    try {
        // 删除库存缓存
        stockService.delStockCountCache(sid);
        // 完成扣库存下单事务
        count = orderService.createPessimisticOrder(sid);
        // 延时指定时间后再次删除缓存
        cachedThreadPool.execute(new delCacheByThread(sid));
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("购买失败:[{}]", e.getMessage());
        return "购买失败,库存不足";
    }
    LOGGER.info("购买成功,剩余库存为: [{}]", count);
    return String.format("购买成功,剩余库存为:%d", count);
}

OrderController中新增线程池:

// 延时双删线程池
private static ExecutorService cachedThreadPool = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>());


/**
 * 缓存再删除线程
 */
private class delCacheByThread implements Runnable {
    private int sid;
    public delCacheByThread(int sid) {
        this.sid = sid;
    }
    public void run() {
        try {
            LOGGER.info("异步执行缓存再删除,商品id:[{}], 首先休眠:[{}] 毫秒", sid, DELAY_MILLSECONDS);
            Thread.sleep(DELAY_MILLSECONDS);
            stockService.delStockCountCache(sid);
            LOGGER.info("再次删除商品id:[{}] 缓存", sid);
        } catch (Exception e) {
            LOGGER.error("delCacheByThread执行出错", e);
        }
    }
}

来试验一下,请求接口createOrderWithCacheV3:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

日志中,做到了两次删除:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

实战:删除缓存重试机制

上文提到了,要解决删除失败的问题,需要用到消息队列,进行删除操作的重试。这里我们为了达到效果,接入了RabbitMq,并且需要在接口中写发送消息,并且需要消费者常驻来消费消息。Spring整合RabbitMq还是比较简单的,我把简单的整合代码也贴出来。

pom.xml新增RabbitMq的依赖:

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-amqp</artifactId>
</dependency>

写一个RabbitMqConfig:

@Configuration
public class RabbitMqConfig {

    @Bean
    public Queue delCacheQueue() {
        return new Queue("delCache");
    }

}

添加一个消费者:

@Component
@RabbitListener(queues = "delCache")
public class DelCacheReceiver {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(DelCacheReceiver.class);

    @Autowired
    private StockService stockService;

    @RabbitHandler
    public void process(String message) {
        LOGGER.info("DelCacheReceiver收到消息: " + message);
        LOGGER.info("DelCacheReceiver开始删除缓存: " + message);
        stockService.delStockCountCache(Integer.parseInt(message));
    }
}

OrderController中新增接口:

/**
 * 下单接口:先更新数据库,再删缓存,删除缓存重试机制
 * @param sid
 * @return
 */
@RequestMapping("/createOrderWithCacheV4/{sid}")
@ResponseBody
public String createOrderWithCacheV4(@PathVariable int sid) {
    int count;
    try {
        // 完成扣库存下单事务
        count = orderService.createPessimisticOrder(sid);
        // 删除库存缓存
        stockService.delStockCountCache(sid);
        // 延时指定时间后再次删除缓存
        // cachedThreadPool.execute(new delCacheByThread(sid));
        // 假设上述再次删除缓存没成功,通知消息队列进行删除缓存
        sendDelCache(String.valueOf(sid));

    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error("购买失败:[{}]", e.getMessage());
        return "购买失败,库存不足";
    }
    LOGGER.info("购买成功,剩余库存为: [{}]", count);
    return String.format("购买成功,剩余库存为:%d", count);
}

访问createOrderWithCacheV4:

缓存与数据库一致性问题深度剖析

可以看到,我们先完成了下单,然后删除了缓存,并且假设延迟删除缓存失败了,发送给消息队列重试的消息,消息队列收到消息后再去删除缓存。

实战:读取binlog异步删除缓存

我们需要用到阿里开源的canal来读取binlog进行缓存的异步删除。

我写了一篇Canal的入门文章,其中用的入门例子就是读取binlog删除缓存。大家可以直接跳转到这里:阿里开源MySQL中间件Canal快速入门

扩展阅读

更新缓存的的Design Pattern有四种:

  • Cache aside
  • Read through
  • Write through
  • Write behind caching,这里有陈皓的总结文章可以进行学习。

https://coolshell.cn/articles/17416.html

小结

引用陈浩《缓存更新的套路》最后的总结语作为小结:

分布式系统里要么通过2PC或是Paxos协议保证一致性,要么就是拼命的降低并发时脏数据的概率

缓存系统适用的场景就是非强一致性的场景,所以它属于CAP中的AP,BASE理论。

异构数据库本来就没办法强一致,只是尽可能减少时间窗口,达到最终一致性

还有别忘了设置过期时间,这是个兜底方案

结束语

本文总结并探讨了缓存数据库双写一致性问题。

文章内容大致可以总结为如下几点:

  • 对于读多写少的数据,请使用缓存。
  • 为了保持数据库和缓存的一致性,会导致系统吞吐量的下降。
  • 为了保持数据库和缓存的一致性,会导致业务代码逻辑复杂。
  • 缓存做不到绝对一致性,但可以做到最终一致性。
  • 对于需要保证缓存数据库数据一致的情况,请尽量考虑对一致性到底有多高要求,选定合适的方案,避免过度设计。

作者水平有限,写文章过程中难免出现错误和疏漏,请理性讨论与指正。

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参考

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