Redis核心技术与实战【学习笔记】 - 14.Redis 旁路缓存的工作原理及如何选择应用系统的缓存类型

概述

我们知道，Redis 提供了高性能的数据存取功能，广泛应用在缓存场景中，既可以提升业务的响应速度，又可以避免把高并发的请求发送到数据库。

如果 Redis 做缓存时出现了问题，比如说缓存失效，那么，大量请求就会直接积压到数据库，给数据库带来巨大的压力，很可能导致数据库宕机。

正是因为 Redis 用作缓存的普遍性以及它在业务应用的重要作用，所以，我们需要系统的掌握缓存的一系列内容，包括工作原理、替换策略、异常处理和扩展机制。

具体来说，需要解决四个关键问题：

Redis 缓存是如何工作的？
Redis 缓存满了，该如何处理？
为什么会有缓存一致性、缓存穿透、缓存雪崩、缓存击穿等异常，该如何处理？
Redis 的内存比较有效，如果用快速的固态应用来保存数据，可以增加缓存的数据量，那么 Redis 缓存可以使用快速固态硬盘吗？

1.缓存的特征

首先，你要知道，一个系统中的不同层之间的访问速度不一样，所以我们才需要缓存，这样就可以把一些需要频繁访问的数据放在缓存中，以加快他们的访问速度。

下图是计算机系统的三层存储结构，以及他们各自的常用容量和访问性能。
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图中可以看到，CPU、内存、磁盘这三次的访问速度从几十 ns 到 100ns，再到几 ms，性能差异很大。

想象一下，如果每次 CPU 都处理数据时，都要从 ms 级别的慢速磁盘中读取数据，然后再进行处理，那么，CPU 只能等磁盘的数据传输完成。这样一来，高速的 CPU 就被慢速的磁盘拖累了，整个计算机系统的运行速度就会变得非常慢。

所以，计算机系统中，默认有两种缓存：

CPU 里面的末级缓存，即 LLC，用来缓存内存中的数据，避免每次都内存中存取数据；
内存中的高速页缓存，即 page cache，用来缓存磁盘中的数据，避免每次从磁盘中存取数据。

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和内存相比，LLC 的访问速度更快，跟磁盘相比，内存的访问是更快的。所以，我们可以看出来缓存的第一个特征：在一个层次化的系统中，缓存一定是一个快速子系统，数据存在缓存中时，能避免每次从慢速子系统中存取数据。

对应互联网来说， Redis 就是快速子系统，而数据库就是慢速子系统了。

了解这一点，你就可以理解，为什么必须想尽办法让 Redis 提供高性能的访问。因为，如果访问速度很慢，Redis 作为缓存的价值就不大了。

再看下计算机分层结构。LLC 的大小是 MB 级别，page cache 的大小是 GB 级别，而磁盘的大小是 TB 级别。其实这包含了缓存的第二个特征：缓存系统的容量大小总是小于后端慢速系统的，我们不可能把所有数据都存放在缓存系统中。它表明缓存的容量终究是有限的，缓存中的数据量也是有限的，肯定是没有办法时刻满足访问需求的。所以，缓存和慢速系统之间，比如存在数据写回和再度取的交互过程。简单来说，缓存中的数据需要按一定的规则淘汰，写回后端系统，而新的数据又要从后端系统中读取出来，写入缓存。

Redis 本身是支持按一定的规则淘汰数据的，相当于实现了缓存的数据淘汰，其实，这也是 Redis 适合用作缓存的一个重要原因。

2.Redis 缓存处理请求的两种情况

Redis 用作缓存时，我们会把 Redis 部署在数据库的前端，业务应用在访问数据库时，会先查询 Redis 中是否保存了相应的数据。

根据数据是否在缓存中，会有两种情况。

缓存命中：Redis 中有相应的数据，就直接读取 Redis ，性能非常快。
缓存缺失：Redis 中没有数据，从后端数据库中读取数据，性能就会变慢。而且，一旦发生了缓存确实，需要把确实的数据写入 Redis，这个过程叫做缓存更新。缓存更新涉及到保证缓存和数据库之间数据一致性问题。

下图演示了发生缓存命中或缺失时，应用读取数据的情况。
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使用 Redis 缓存时，基本有三个操作：

应用读取数据时，先读取 Redis
发生缓存缺失时，需要从数据库读取数据
发生缓存缺失时，还要更新数据

那么，这些操作由谁来做呢？这和 Redis 缓存的使用方式相关。接下来就分析下 Redis 作为旁路缓存的使用方式。

3.Redis作为旁路缓存的使用操作

Redis 是一个独立的系统软件，和业务应用程序是两个软件，当我们部署了 Redis 实例后，它只会被动地等待客户端发送请求，然后再进行处理。所以，如果应用程序想要使用 Redis 缓存，我们就要在程序中增加相应的代码。所以我们把 Redis 称为旁路缓存。也就是说，读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都是在应用程序中来完成。

使用 Redis 缓存时，我们需要在应用程序中增加三方面的代码：

当应用程序需要读取数据时，需要在代码中显示调用 Redis 的 GET 操作接口，进行查询；
如果缓存缺失，应用程序需要再和数据库连接，从数据库中读取数据。
当缓存中的数据需要更新时，也需要在应用程序中显示地调用 SET 操作接口，把更新的数据写入缓存。

下面是伪代码示例：

String cacheKey = "productid_1";
String cacheValue = redisCache.get(cacheKey);
if ( StringUtils.isNotEmpty(cacheValue)) {// 缓存命中return cacheValue;
}
else {// 缓存缺失cacheValue = getProductFromDB();// 缓存更新redisCache.put(cacheValue)  
}

可以看到，为了使用缓存，Web 应用程序需要有一个表示缓存系统的实例 redisCache，还要主动调用 Redis 的 GET 接口，并且要处理缓存命中和缓存缺失时的逻辑，例如在缓存缺失时，需要更新缓存。

需要注意的是，因为需要新增代码来使用缓存，所以 Redis 不适用于哪些无法取得源码的应用。

在使用旁路缓存时，我们需要在应用程序中增加操作代码，增加了使用 Redis 缓存的额外工作，但是正是因为 Redis 是旁路缓存，是一个独立系统，我们可以单独对 Redis 缓存进行扩容或者性能优化。而且，只要保持接口不变，应用程序中增加的代码就不用在修改了。

除了在从 Redis 缓存中查下、读取数据以外，应用程序还可能会对数据进行修改，这是，我们既可以在旁路缓存中修改，也可以在数据库中进行修改？该如何选择呢？

这涉及到了 Redis 缓存的两种类型：只读缓存和读写缓存。

只读缓存能加速读请求
读写缓存可以同时加速读写请求。而且，度企鹅缓存又有两种数据写回策略，可以让我们根据业务需求，在保证性能和保证数据可靠性之间进行选择。

4.缓存的类型

根据 Redis 是否接收写请求，把 Redis 分成只读缓存和读写缓存。

4.1 只读缓存

Redis 用作只读缓存时，应用要读取数据的话，会先调用 Redis GET 接口，查询数据是否存在。而所有的数据写请求，会直接发往数据库，在数据库中增删改。对于，删改的数据来说，如果 Redis 已经缓存了相应的数据，应用需要把这些缓存的数据删除，Redis 中就没有这些数据了。

当应用再次读取这些数据时，会发生缓存缺失，应用会把这些数据从数据库中读出来，并写到缓存中。这样一来，后续再被读取时，就可以直接从缓存中获取了，能起到加速的效果。

假设业务应用要修改数据 A，此时数据 A 在 Redis 中也存在了，那么应用会直接在数据库里修改 A，并把 Redis 中的 A 删除。等到应用需要读取数据 A 时，会发送缓存缺失，此时，应用从数据库中读取 A，并写入 Redis，以便后续请求直接从缓存中直接读取。
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只读缓存在数据库中更新数据的好处是，所有最新的数据都在数据库中，而数据库是提供数据可靠性保证的，这些数据不会有丢失的风险。当我们需要缓存图片、短视频这些用户只读数据时，就可以使用只读缓存这个类型了。