什么是幂等

幂等是一个数学上的概念，它的含义是多次执行同一个操作和执行一次操作，最终得到的结果是相同的。

如果我们消费一条消息的时候，要给现有的库存数量减 1，那么如果消费两条相同的消息就会给库存数量减 2，这就不是幂等的。而如果消费一条消息后，处理逻辑是将库存的数量设置为 0，或者是如果当前库存数量是 10 时则减 1，这样在消费多条消息时，所得到的结果就是相同的，这就是幂等的。

**说白了，你可以这么理解“幂等”：**一件事儿无论做多少次都和做一次产生的结果是一样的，那么这件事儿就具有幂等性。

在生产、消费过程中增加消息幂等性的保证

消息在生产和消费的过程中都可能会产生重复，所以你要做的是，在生产过程和消费过程中增加消息幂等性的保证，这样就可以认为从最终结果上来看，消息实际上是只被消费了一次的。

**在消息生产过程中，**在 Kafka0.11 版本和 Pulsar 中都支持“producer idempotency”的特性，翻译过来就是生产过程的幂等性，这种特性保证消息虽然可能在生产端产生重复，但是最终在消息队列存储时只会存储一份。

它的做法是给每一个生产者一个唯一的 ID，并且为生产的每一条消息赋予一个唯一 ID，消息队列的服务端会存储 < 生产者 ID，最后一条消息 ID> 的映射。当某一个生产者产生新的消息时，消息队列服务端会比对消息 ID 是否与存储的最后一条 ID 一致，如果一致，就认为是重复的消息，服务端会自动丢弃。

而在消费端，幂等性的保证会稍微复杂一些，你可以从通用层和业务层两个层面来考虑。

在通用层面，你可以在消息被生产的时候，使用发号器给它生成一个全局唯一的消息 ID，消息被处理之后，把这个 ID 存储在数据库中，在处理下一条消息之前，先从数据库里面查询这个全局 ID 是否被消费过，如果被消费过就放弃消费。

你可以看到，无论是生产端的幂等性保证方式，还是消费端通用的幂等性保证方式，它们的共同特点都是为每一个消息生成一个唯一的 ID，然后在使用这个消息的时候，先比对这个 ID 是否已经存在，如果存在，则认为消息已经被使用过。所以这种方式是一种标准的实现幂等的方式，**你在项目之中可以拿来直接使用，**它在逻辑上的伪代码就像下面这样：

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boolean isIDExisted = selectByID(ID); // 判断 ID 是否存在

if(isIDExisted) {

  return; // 存在则直接返回

} else {

  process(message); // 不存在，则处理消息

  saveID(ID);   // 存储 ID

}

**不过这样会有一个问题：**如果消息在处理之后，还没有来得及写入数据库，消费者宕机了重启之后发现数据库中并没有这条消息，还是会重复执行两次消费逻辑，这时你就需要引入事务机制，保证消息处理和写入数据库必须同时成功或者同时失败，但是这样消息处理的成本就更高了，所以，如果对于消息重复没有特别严格的要求，可以直接使用这种通用的方案，而不考虑引入事务。

**在业务层面怎么处理呢？**这里有很多种处理方式，其中有一种是增加乐观锁的方式。比如，你的消息处理程序需要给一个人的账号加钱，那么你可以通过乐观锁的方式来解决。

**具体的操作方式是这样的：**你给每个人的账号数据中增加一个版本号的字段，在生产消息时先查询这个账户的版本号，并且将版本号连同消息一起发送给消息队列。消费端在拿到消息和版本号后，在执行更新账户金额 SQL 的时候带上版本号，类似于执行：

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update user set amount = amount + 20, version=version+1 where userId=1 and version=1;

你看，我们在更新数据时给数据加了乐观锁，这样在消费第一条消息时，version 值为 1，SQL 可以执行成功，并且同时把 version 值改为了 2；在执行第二条相同的消息时，由于 version 值不再是 1，所以这条 SQL 不能执行成功，也就保证了消息的幂等性。

什么是缓存穿透

缓存穿透其实是指从缓存中没有查到数据，而不得不从后端系统（比如数据库）中查询的情况。你可以把数据库比喻为手机，它是经受不了太多的划痕和磕碰的，所以你需要给它贴个膜再套个保护壳，就能对手机起到一定的保护作用了。

不过，少量的缓存穿透不可避免，对系统也是没有损害的，主要有几点原因：

• 一方面，互联网系统通常会面临极大数据量的考验，而缓存系统在容量上是有限的，不可能存储系统所有的数据，那么在查询未缓存数据的时候就会发生缓存穿透。
• 另一方面，互联网系统的数据访问模型一般会遵从“80/20 原则”。“80/20 原则”又称为帕累托法则，是意大利经济学家帕累托提出的一个经济学的理论。它是指在一组事物中，最重要的事物通常只占 20%，而剩余的 80% 的事物确实不重要的。把它应用到数据访问的领域，就是我们会经常访问 20% 的热点数据，而另外的 80% 的数据则不会被经常访问。比如你买了很多衣服，很多书，但是其实经常穿的，经常看的，可能也就是其中很小的一部分。

既然缓存的容量有限，并且大部分的访问只会请求 20% 的热点数据，那么理论上说，我们只需要在有限的缓存空间里存储 20% 的热点数据就可以有效地保护脆弱的后端系统了，也就可以放弃缓存另外 80% 的非热点数据了。所以，这种少量的缓存穿透是不可避免的，但是对系统是没有损害的。

那么什么样的缓存穿透对系统有害呢？答案是大量的穿透请求超过了后端系统的承受范围，造成了后端系统的崩溃。如果把少量的请求比作毛毛细雨，那么一旦变成倾盆大雨，引发洪水，冲倒房屋，肯定就不行了。

产生这种大量穿透请求的场景有很多，接下来，我就带你解析这几种场景以及相应的解决方案。

缓存穿透的解决方案

先来考虑这样一种场景：在你的电商系统的用户表中，我们需要通过用户 ID 查询用户的信息，缓存的读写策略采用 Cache Aside 策略。

那么，如果要读取一个用户表中未注册的用户，会发生什么情况呢？按照这个策略，我们会先读缓存，再穿透读数据库。由于用户并不存在，所以缓存和数据库中都没有查询到数据，因此也就不会向缓存中回种数据（也就是向缓存中设置值的意思），这样当再次请求这个用户数据的时候还是会再次穿透到数据库。在这种场景下，缓存并不能有效地阻挡请求穿透到数据库上，它的作用就微乎其微了。

那如何解决缓存穿透呢？一般来说我们会有两种解决方案：回种空值以及使用布隆过滤器。

我们先来看看第一种方案。

回种空值

回顾上面提到的场景，你会发现最大的问题在于数据库中并不存在用户的数据，这就造成无论查询多少次，数据库中永远都不会存在这个用户的数据，穿透永远都会发生。

**类似的场景还有一些：**比如由于代码的 bug 导致查询数据库的时候抛出了异常，这样可以认为从数据库查询出来的数据为空，同样不会回种缓存。

那么，当我们从数据库中查询到空值或者发生异常时，我们可以向缓存中回种一个空值。但是因为空值并不是准确的业务数据，并且会占用缓存的空间，所以我们会给这个空值加一个比较短的过期时间，让空值在短时间之内能够快速过期淘汰。下面是这个流程的伪代码：

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Object nullValue = new Object();
try {
  Object valueFromDB = getFromDB(uid); // 从数据库中查询数据
  if (valueFromDB == null) {
    cache.set(uid, nullValue, 10);   // 如果从数据库中查询到空值，就把空值写入缓存，设置较短的超时时间
  } else {
    cache.set(uid, valueFromDB, 1000);
  }
} catch(Exception e) {
  cache.set(uid, nullValue, 10);
}

回种空值虽然能够阻挡大量穿透的请求，但如果有大量获取未注册用户信息的请求，缓存内就会有有大量的空值缓存，也就会浪费缓存的存储空间，如果缓存空间被占满了，还会剔除掉一些已经被缓存的用户信息反而会造成缓存命中率的下降。

**所以这个方案，我建议你在使用的时候应该评估一下缓存容量是否能够支撑。**如果需要大量的缓存节点来支持，那么就无法通过通过回种空值的方式来解决，这时你可以考虑使用布隆过滤器。

使用布隆过滤器

1970 年布隆提出了一种布隆过滤器的算法，用来判断一个元素是否在一个集合中。这种算法由一个二进制数组和一个 Hash 算法组成。它的基本思路如下：

我们把集合中的每一个值按照提供的 Hash 算法算出对应的 Hash 值，然后将 Hash 值对数组长度取模后得到需要计入数组的索引值，并且将数组这个位置的值从 0 改成 1。在判断一个元素是否存在于这个集合中时，你只需要将这个元素按照相同的算法计算出索引值，如果这个位置的值为 1 就认为这个元素在集合中，否则则认为不在集合中。

下图是布隆过滤器示意图，我来带你分析一下图内的信息。

A、B、C 等元素组成了一个集合，元素 D 计算出的 Hash 值所对应的的数组中值是 1，所以可以认为 D 也在集合中。而 F 在数组中的值是 0，所以 F 不在数组中。

那么我们如何使用布隆过滤器来解决缓存穿透的问题呢？

还是以存储用户信息的表为例进行讲解。首先，我们初始化一个很大的数组，比方说长度为 20 亿的数组，接下来我们选择一个 Hash 算法，然后我们将目前现有的所有用户的 ID 计算出 Hash 值并且映射到这个大数组中，映射位置的值设置为 1，其它值设置为 0。

新注册的用户除了需要写入到数据库中之外，它也需要依照同样的算法更新布隆过滤器的数组中，相应位置的值。那么当我们需要查询某一个用户的信息时，我们首先查询这个 ID 在布隆过滤器中是否存在，如果不存在就直接返回空值，而不需要继续查询数据库和缓存，这样就可以极大地减少异常查询带来的缓存穿透。

布隆过滤器拥有极高的性能，无论是写入操作还是读取操作，时间复杂度都是 O(1)，是常量值。在空间上，相对于其他数据结构它也有很大的优势，比如，20 亿的数组需要 2000000000/8/1024/1024 = 238M 的空间，而如果使用数组来存储，假设每个用户 ID 占用 4 个字节的空间，那么存储 20 亿用户需要 2000000000 * 4 / 1024 / 1024 = 7600M 的空间，是布隆过滤器的 32 倍。

不过，任何事物都有两面性，布隆过滤器也不例外，它主要有两个缺陷：

1. 它在判断元素是否在集合中时是有一定错误几率的，比如它会把不是集合中的元素判断为处在集合中；

2. 不支持删除元素。

**关于第一个缺陷，主要是 Hash 算法的问题。**因为布隆过滤器是由一个二进制数组和一个 Hash 算法组成的，Hash 算法存在着一定的碰撞几率。Hash 碰撞的含义是不同的输入值经过 Hash 运算后得到了相同的 Hash 结果。

本来，Hash 的含义是不同的输入，依据不同的算法映射成独一无二的固定长度的值，也就是我输入字符串“1”，根据 CRC32 算法，值是 2212294583。但是现实中 Hash 算法的输入值是无限的，输出值的值空间却是固定的，比如 16 位的 Hash 值的值空间是 65535，那么它的碰撞几率就是 1/65535，即如果输入值的个数超过 65535 就一定会发生碰撞。

那么你可能会问为什么不映射成更长的 Hash 值呢？

因为更长的 Hash 值会带来更高的存储成本和计算成本。即使使用 32 位的 Hash 算法，它的值空间长度是 2 的 32 次幂减一，约等于 42 亿，用来映射 20 亿的用户数据，碰撞几率依然有接近 50%。

Hash 的碰撞就造成了两个用户 ID ，A 和 B 会计算出相同的 Hash 值，那么如果 A 是注册的用户，它的 Hash 值对应的数组中的值是 1，那么 B 即使不是注册用户，它在数组中的位置和 A 是相同的，对应的值也是 1，这就产生了误判。

布隆过滤器的误判有一个特点，就是它只会出现“false positive”的情况。这是什么意思呢？当布隆过滤器判断元素在集合中时，这个元素可能不在集合中。但是一旦布隆过滤器判断这个元素不在集合中时，它一定不在集合中。**这一点非常适合解决缓存穿透的问题。**为什么呢？

你想，如果布隆过滤器会将集合中的元素判定为不在集合中，那么我们就不确定，被布隆过滤器判定为不在集合中的元素，是不是在集合中。假设在刚才的场景中，如果有大量查询未注册的用户信息的请求存在，那么这些请求到达布隆过滤器之后，即使布隆过滤器判断为不是注册用户，那么我们也不确定它是不是真的不是注册用户，那么就还是需要去数据库和缓存中查询，这就使布隆过滤器失去了价值。

所以你看，布隆过滤器虽然存在误判的情况，但是还是会减少缓存穿透的情况发生，只是我们需要尽量减少误判的几率，这样布隆过滤器的判断正确的几率更高，对缓存的穿透也更少。一个解决方案是：

使用多个 Hash 算法为元素计算出多个 Hash 值，只有所有 Hash 值对应的数组中的值都为 1 时，才会认为这个元素在集合中。

**布隆过滤器不支持删除元素的缺陷也和 Hash 碰撞有关。**给你举一个例子，假如两个元素 A 和 B 都是集合中的元素，它们有相同的 Hash 值，它们就会映射到数组的同一个位置。这时我们删除了 A，数组中对应位置的值也从 1 变成 0，那么在判断 B 的时候发现值是 0，也会判断 B 是不在集合中的元素，就会得到错误的结论。

**那么我是怎么解决这个问题的呢？**我会让数组中不再只有 0 和 1 两个值，而是存储一个计数。比如如果 A 和 B 同时命中了一个数组的索引，那么这个位置的值就是 2，如果 A 被删除了就把这个值从 2 改为 1。这个方案中的数组不再存储 bit 位，而是存储数值，也就会增加空间的消耗。**所以，你要依据业务场景来选择是否能够使用布隆过滤器，**比如像是注册用户的场景下，因为用户删除的情况基本不存在，所以还是可以使用布隆过滤器来解决缓存穿透的问题的。

讲了这么多，关于布隆过滤器的使用上，我也给你几个建议：

1. 选择多个 Hash 函数计算多个 Hash 值，这样可以减少误判的几率；

2. 布隆过滤器会消耗一定的内存空间，所以在使用时需要评估你的业务场景下需要多大的内存，存储的成本是否可以接受。

总的来说，回种空值和布隆过滤器是解决缓存穿透问题的两种最主要的解决方案，但是它们也有各自的适用场景，并不能解决所有问题。比方说当有一个极热点的缓存项，它一旦失效会有大量请求穿透到数据库，这会对数据库造成瞬时极大的压力，我们把这个场景叫做“dog-pile effect”（狗桩效应），

这是典型的缓存并发穿透的问题，**那么，我们如何来解决这个问题呢？**解决狗桩效应的思路是尽量地减少缓存穿透后的并发，方案也比较简单：

1. 在代码中，控制在某一个热点缓存项失效之后启动一个后台线程，穿透到数据库，将数据加载到缓存中，在缓存未加载之前，所有访问这个缓存的请求都不再穿透而直接返回。

2. 通过在 Memcached 或者 Redis 中设置分布式锁，只有获取到锁的请求才能够穿透到数据库。

分布式锁的方式也比较简单，比方说 ID 为 1 的用户是一个热点用户，当他的用户信息缓存失效后，我们需要从数据库中重新加载数据时，先向 Memcached 中写入一个 Key 为”lock.1”的缓存项，然后去数据库里面加载数据，当数据加载完成后再把这个 Key 删掉。这时，如果另外一个线程也要请求这个用户的数据，它发现缓存中有 Key 为“lock.1”的缓存，就认为目前已经有线程在加载数据库中的值到缓存中了，它就可以重新去缓存中查询数据，不再穿透数据库了。

分布式缓存的高可用方案主要选择的方案有客户端方案、中间代理层方案和服务端方案三大类：

• 客户端方案就是在客户端配置多个缓存的节点，通过缓存写入和读取算法策略来实现分布式，从而提高缓存的可用性。
• 中间代理层方案是在应用代码和缓存节点之间增加代理层，客户端所有的写入和读取的请求都通过代理层，而代理层中会内置高可用策略，帮助提升缓存系统的高可用。
• 服务端方案就是 Redis 2.4 版本后提出的 Redis Sentinel 方案。

掌握这些方案可以帮助你，抵御部分缓存节点故障导致的，缓存命中率下降的影响，增强你的系统的鲁棒性。

客户端方案

在客户端方案中，你需要关注缓存的写和读两个方面：

• 写入数据时，需要把被写入缓存的数据分散到多个节点中，即进行数据分片；
• 读数据时，可以利用多组的缓存来做容错，提升缓存系统的可用性。关于读数据，这里可以使用主从和多副本两种策略，两种策略是为了解决不同的问题而提出的。

下面我就带你一起详细地看一下到底要怎么做。

1. 缓存数据如何分片

单一的缓存节点受到机器内存、网卡带宽和单节点请求量的限制，不能承担比较高的并发，因此我们考虑将数据分片，依照分片算法将数据打散到多个不同的节点上，每个节点上存储部分数据。

这样在某个节点故障的情况下，其他节点也可以提供服务，保证了一定的可用性。这就好比不要把鸡蛋放在同一个篮子里，这样一旦一个篮子掉在地上，摔碎了，别的篮子里还有没摔碎的鸡蛋，不至于一个不剩。

一般来讲，分片算法常见的就是 Hash 分片算法和一致性 Hash 分片算法两种。

Hash 分片的算法就是对缓存的 Key 做哈希计算，然后对总的缓存节点个数取余。你可以这么理解：

比如说，我们部署了三个缓存节点组成一个缓存的集群，当有新的数据要写入时，我们先对这个缓存的 Key 做比如 crc32 等 Hash 算法生成 Hash 值，然后对 Hash 值模 3，得出的结果就是要存入缓存节点的序号。

这个算法最大的优点就是简单易理解，缺点是当增加或者减少缓存节点时，缓存总的节点个数变化造成计算出来的节点发生变化，从而造成缓存失效不可用。**所以我建议你，**如果采用这种方法，最好建立在你对于这组缓存命中率下降不敏感，比如下面还有另外一层缓存来兜底的情况下。

**当然了，用一致性 Hash 算法可以很好地解决增加和删减节点时，命中率下降的问题。**在这个算法中，我们将整个 Hash 值空间组织成一个虚拟的圆环，然后将缓存节点的 IP 地址或者主机名做 Hash 取值后，放置在这个圆环上。当我们需要确定某一个 Key 需要存取到哪个节点上的时候，先对这个 Key 做同样的 Hash 取值，确定在环上的位置，然后按照顺时针方向在环上“行走”，遇到的第一个缓存节点就是要访问的节点。比方说下面这张图里面，Key 1 和 Key 2 会落入到 Node 1 中，Key 3、Key 4 会落入到 Node 2 中，Key 5 落入到 Node 3 中，Key 6 落入到 Node 4 中。

这时如果在 Node 1 和 Node 2 之间增加一个 Node 5，你可以看到原本命中 Node 2 的 Key 3 现在命中到 Node 5，而其它的 Key 都没有变化；同样的道理，如果我们把 Node 3 从集群中移除，那么只会影响到 Key 5 。所以你看，**在增加和删除节点时，只有少量的 Key 会“漂移”到其它节点上，**而大部分的 Key 命中的节点还是会保持不变，从而可以保证命中率不会大幅下降。

不过，事物总有两面性。虽然这个算法对命中率的影响比较小，但它还是存在问题：

• 缓存节点在圆环上分布不平均，会造成部分缓存节点的压力较大；当某个节点故障时，这个节点所要承担的所有访问都会被顺移到另一个节点上，会对后面这个节点造成压力。
• 一致性 Hash 算法的脏数据问题。

极端情况下，比如一个有三个节点 A、B、C 承担整体的访问，每个节点的访问量平均，A 故障后，B 将承担双倍的压力（A 和 B 的全部请求），当 B 承担不了流量 Crash 后，C 也将因为要承担原先三倍的流量而 Crash，这就造成了整体缓存系统的雪崩。

说到这儿，你可能觉得很可怕，但也不要太担心，我们程序员就是要能够创造性地解决各种问题，所以你可以在一致性 Hash 算法中引入虚拟节点的概念。

它将一个缓存节点计算多个 Hash 值分散到圆环的不同位置，这样既实现了数据的平均，而且当某一个节点故障或者退出的时候，它原先承担的 Key 将以更加平均的方式分配到其他节点上，从而避免雪崩的发生。

**其次，就是一致性 Hash 算法的脏数据问题。为什么会产生脏数据呢？**比方说，在集群中有两个节点 A 和 B，客户端初始写入一个 Key 为 k，值为 3 的缓存数据到 Cache A 中。这时如果要更新 k 的值为 4，但是缓存 A 恰好和客户端连接出现了问题，那这次写入请求会写入到 Cache B 中。接下来缓存 A 和客户端的连接恢复，当客户端要获取 k 的值时，就会获取到存在 Cache A 中的脏数据 3，而不是 Cache B 中的 4。

**所以，在使用一致性 Hash 算法时一定要设置缓存的过期时间，**这样当发生漂移时，之前存储的脏数据可能已经过期，就可以减少存在脏数据的几率。

很显然，数据分片最大的优势就是缓解缓存节点的存储和访问压力，但同时它也让缓存的使用更加复杂。在 MultiGet（批量获取）场景下，单个节点的访问量并没有减少，同时节点数太多会造成缓存访问的 SLA（即“服务等级协议”，SLA 代表了网站服务可用性）得不到很好的保证，因为根据木桶原则，SLA 取决于最慢、最坏的节点的情况，节点数过多也会增加出问题的概率，因此我推荐 4 到 6 个节点为佳。

中间代理层方案

虽然客户端方案已经能解决大部分的问题，但是只能在单一语言系统之间复用。例如微博使用 Java 语言实现了这么一套逻辑，我使用 PHP 就难以复用，需要重新写一套，很麻烦。**而中间代理层的方案就可以解决这个问题。**你可以将客户端解决方案的经验移植到代理层中，通过通用的协议（如 Redis 协议）来实现在其他语言中的复用。

如果你来自研缓存代理层，你就可以将客户端方案中的高可用逻辑封装在代理层代码里面，这样用户在使用你的代理层的时候就不需要关心缓存的高可用是如何做的，只需要依赖你的代理层就好了。

除此以外，业界也有很多中间代理层方案，比如 Facebook 的Mcrouter，Twitter 的Twemproxy，豌豆荚的Codis。它们的原理基本上可以由一张图来概括：

看这张图你有什么发现吗？ 所有缓存的读写请求都是经过代理层完成的。代理层是无状态的，主要负责读写请求的路由功能，并且在其中内置了一些高可用的逻辑，不同的开源中间代理层方案中使用的高可用策略各有不同。比如在 Twemproxy 中，Proxy 保证在某一个 Redis 节点挂掉之后会把它从集群中移除，后续的请求将由其他节点来完成；而 Codis 的实现略复杂，它提供了一个叫 Codis Ha 的工具来实现自动从节点提主节点，在 3.2 版本之后换做了 Redis Sentinel 方式，从而实现 Redis 节点的高可用。

服务端方案

Redis 在 2.4 版本中提出了 Redis Sentinel 模式来解决主从 Redis 部署时的高可用问题，它可以在主节点挂了以后自动将从节点提升为主节点，保证整体集群的可用性，整体的架构如下图所示：

Redis Sentinel 也是集群部署的，这样可以避免 Sentinel 节点挂掉造成无法自动故障恢复的问题，每一个 Sentinel 节点都是无状态的。在 Sentinel 中会配置 Master 的地址，Sentinel 会时刻监控 Master 的状态，当发现 Master 在配置的时间间隔内无响应，就认为 Master 已经挂了，Sentinel 会从从节点中选取一个提升为主节点，并且把所有其他的从节点作为新主的从节点。Sentinel 集群内部在仲裁的时候，会根据配置的值来决定当有几个 Sentinel 节点认为主挂掉可以做主从切换的操作，也就是集群内部需要对缓存节点的状态达成一致才行。

Redis Sentinel 不属于代理层模式，因为对于缓存的写入和读取请求不会经过 Sentinel 节点。Sentinel 节点在架构上和主从是平级的，是作为管理者存在的，所以可以认为是在服务端提供的一种高可用方案。

使用 NoSQL 提升写入性能

数据库系统大多使用的是传统的机械磁盘，对于机械磁盘的访问方式有两种：一种是随机 IO；另一种是顺序 IO。随机 IO 就需要花费时间做昂贵的磁盘寻道，一般来说，它的读写效率要比顺序 IO 小两到三个数量级，所以我们想要提升写入的性能就要尽量减少随机 IO。

以 MySQL 的 InnoDB 存储引擎来说，更新 binlog、redolog、undolog 都是在做顺序 IO，而更新 datafile 和索引文件则是在做随机 IO，而为了减少随机 IO 的发生，关系数据库已经做了很多的优化，比如说写入时先写入内存，然后批量刷新到磁盘上，但是随机 IO 还是会发生。

索引在 InnoDB 引擎中是以 B+ 树方式来组织的，而 MySQL 主键是聚簇索引（一种索引类型，数据与索引数据放在一起），既然数据和索引数据放在一起，那么在数据插入或者更新的时候，我们需要找到要插入的位置，再把数据写到特定的位置上，这就产生了随机的 IO。而且一旦发生了页分裂，就不可避免会做数据的移动，也会极大地损耗写入性能。

NoSQL 数据库是怎么解决这个问题的呢？

它们有多种的解决方式，这里我给你讲一种最常见的方案，就是很多 NoSQL 数据库都在使用的**基于 LSM 树的存储引擎，**这种算法使用最多，所以在这里着重剖析一下。

LSM 树（Log-Structured Merge Tree）牺牲了一定的读性能来换取写入数据的高性能，Hbase、Cassandra、LevelDB 都是用这种算法作为存储的引擎。

它的思想很简单，数据首先会写入到一个叫做 MemTable 的内存结构中，在 MemTable 中数据是按照写入的 Key 来排序的。为了防止 MemTable 里面的数据因为机器掉电或者重启而丢失，一般会通过写 Write Ahead Log 的方式将数据备份在磁盘上。

MemTable 在累积到一定规模时，它会被刷新生成一个新的文件，我们把这个文件叫做 SSTable（Sorted String Table）。当 SSTable 达到一定数量时，我们会将这些 SSTable 合并，减少文件的数量，因为 SSTable 都是有序的，所以合并的速度也很快。

当从 LSM 树里面读数据时，我们首先从 MemTable 中查找数据，如果数据没有找到，再从 SSTable 中查找数据。因为存储的数据都是有序的，所以查找的效率是很高的，只是因为数据被拆分成多个 SSTable，所以读取的效率会低于 B+ 树索引。

和 LSM 树类似的算法有很多，比如说 TokuDB 使用的名为 Fractal tree 的索引结构，它们的核心思想就是将随机 IO 变成顺序的 IO，从而提升写入的性能。

提升扩展性

另外，在扩展性方面，很多 NoSQL 数据库也有着先天的优势。还是以你的垂直电商系统为例，你已经为你的电商系统增加了评论系统，开始你的评估比较乐观，觉得电商系统的评论量级不会增长很快，所以就为它分了 8 个库，每个库拆分成 16 张表。

但是评论系统上线之后，存储量级增长的异常迅猛，你不得不将数据库拆分成更多的库表，而数据也要重新迁移到新的库表中，过程非常痛苦，而且数据迁移的过程也非常容易出错。

这时，你考虑是否可以考虑使用 NoSQL 数据库来彻底解决扩展性的问题，经过调研你发现它们在设计之初就考虑到了分布式和大数据存储的场景，比如像 MongoDB 就有三个扩展性方面的特性。

• 其一是 Replica，也叫做副本集，你可以理解为主从分离，也就是通过将数据拷贝成多份来保证当主挂掉后数据不会丢失。同时呢，Replica 还可以分担读请求。Replica 中有主节点来承担写请求，并且把对数据变动记录到 oplog 里（类似于 binlog）；从节点接收到 oplog 后就会修改自身的数据以保持和主节点的一致。一旦主节点挂掉，MongoDB 会从从节点中选取一个节点成为主节点，可以继续提供写数据服务。
• 其二是 Shard，也叫做分片，你可以理解为分库分表，即将数据按照某种规则拆分成多份，存储在不同的机器上。MongoDB 的 Sharding 特性一般需要三个角色来支持，一个是 Shard Server，它是实际存储数据的节点，是一个独立的 Mongod 进程；二是 Config Server，也是一组 Mongod 进程，主要存储一些元信息，比如说哪些分片存储了哪些数据等；最后是 Route Server，它不实际存储数据，仅仅作为路由使用，它从 Config Server 中获取元信息后，将请求路由到正确的 Shard Server 中。

• 其三是负载均衡，就是当 MongoDB 发现 Shard 之间数据分布不均匀，会启动 Balancer 进程对数据做重新的分配，最终让不同 Shard Server 的数据可以尽量的均衡。当我们的 Shard Server 存储空间不足需要扩容时，数据会自动被移动到新的 Shard Server 上，减少了数据迁移和验证的成本。

你可以看到，NoSQL 数据库中内置的扩展性方面的特性可以让我们不再需要对数据库做分库分表和主从分离，也是对传统数据库一个良好的补充。

这个策略的核心原则是用户只与缓存打交道，由缓存和数据库通信，写入或者读取数据。这就好比你在汇报工作的时候只对你的直接上级汇报，再由你的直接上级汇报给他的上级，你是不能越级汇报的。

Write Through 的策略是这样的：先查询要写入的数据在缓存中是否已经存在，如果已经存在，则更新缓存中的数据，并且由缓存组件同步更新到数据库中，如果缓存中数据不存在，我们把这种情况叫做“Write Miss（写失效）”。

一般来说，我们可以选择两种“Write Miss”方式：一个是“Write Allocate（按写分配）”，做法是写入缓存相应位置，再由缓存组件同步更新到数据库中；另一个是“No-write allocate（不按写分配）”，做法是不写入缓存中，而是直接更新到数据库中。

在 Write Through 策略中，我们一般选择“No-write allocate”方式，原因是无论采用哪种“Write Miss”方式，我们都需要同步将数据更新到数据库中，而“No-write allocate”方式相比“Write Allocate”还减少了一次缓存的写入，能够提升写入的性能。

Read Through 策略就简单一些，它的步骤是这样的：先查询缓存中数据是否存在，如果存在则直接返回，如果不存在，则由缓存组件负责从数据库中同步加载数据。

下面是 Read Through/Write Through 策略的示意图：

Read Through/Write Through 策略的特点是由缓存节点而非用户来和数据库打交道，在我们开发过程中相比 Cache Aside 策略要少见一些，原因是我们经常使用的分布式缓存组件，无论是 Memcached 还是 Redis 都不提供写入数据库，或者自动加载数据库中的数据的功能。而我们在使用本地缓存的时候可以考虑使用这种策略，比如说在上一节中提到的本地缓存 Guava Cache 中的 Loading Cache 就有 Read Through 策略的影子。

我们看到 Write Through 策略中写数据库是同步的，这对于性能来说会有比较大的影响，因为相比于写缓存，同步写数据库的延迟就要高很多了。那么我们可否异步地更新数据库？这就是我们接下来要提到的“Write Back”策略。

Write Back（写回）策略

这个策略的核心思想是在写入数据时只写入缓存，并且把缓存块儿标记为“脏”的。而脏块儿只有被再次使用时才会将其中的数据写入到后端存储中。

**需要注意的是，**在“Write Miss”的情况下，我们采用的是“Write Allocate”的方式，也就是在写入后端存储的同时要写入缓存，这样我们在之后的写请求中都只需要更新缓存即可，而无需更新后端存储了，我将 Write back 策略的示意图放在了下面：

**发现了吗？**其实这种策略不能被应用到我们常用的数据库和缓存的场景中，它是计算机体系结构中的设计，比如我们在向磁盘中写数据时采用的就是这种策略。无论是操作系统层面的 Page Cache，还是日志的异步刷盘，亦或是消息队列中消息的异步写入磁盘，大多采用了这种策略。因为这个策略在性能上的优势毋庸置疑，它避免了直接写磁盘造成的随机写问题，毕竟写内存和写磁盘的随机 I/O 的延迟相差了几个数量级呢。

但因为缓存一般使用内存，而内存是非持久化的，所以一旦缓存机器掉电，就会造成原本缓存中的脏块儿数据丢失。所以你会发现系统在掉电之后，之前写入的文件会有部分丢失，就是因为 Page Cache 还没有来得及刷盘造成的。

**当然，你依然可以在一些场景下使用这个策略，在使用时，我想给你的落地建议是：**你在向低速设备写入数据的时候，可以在内存里先暂存一段时间的数据，甚至做一些统计汇总，然后定时地刷新到低速设备上。比如说，你在统计你的接口响应时间的时候，需要将每次请求的响应时间打印到日志中，然后监控系统收集日志后再做统计。但是如果每次请求都打印日志无疑会增加磁盘 I/O，那么不如把一段时间的响应时间暂存起来，经过简单的统计平均耗时，每个耗时区间的请求数量等等，然后定时地，批量地打印到日志中。

我们来考虑一种最简单的业务场景，比方说在你的电商系统中有一个用户表，表中只有 ID 和年龄两个字段，缓存中我们以 ID 为 Key 存储用户的年龄信息。那么当我们要把 ID 为 1 的用户的年龄从 19 变更为 20，要如何做呢？

**你可能会产生这样的思路：**先更新数据库中 ID 为 1 的记录，再更新缓存中 Key 为 1 的数据。

**这个思路会造成缓存和数据库中的数据不一致。**比如，A 请求将数据库中 ID 为 1 的用户年龄从 19 变更为 20，与此同时，请求 B 也开始更新 ID 为 1 的用户数据，它把数据库中记录的年龄变更为 21，然后变更缓存中的用户年龄为 21。紧接着，A 请求开始更新缓存数据，它会把缓存中的年龄变更为 20。此时，数据库中用户年龄是 21，而缓存中的用户年龄却是 20。

**为什么产生这个问题呢？**因为变更数据库和变更缓存是两个独立的操作，而我们并没有对操作做任何的并发控制。那么当两个线程并发更新它们的时候，就会因为写入顺序的不同造成数据的不一致。

另外，直接更新缓存还存在另外一个问题就是丢失更新。还是以我们的电商系统为例，假如电商系统中的账户表有三个字段：ID、户名和金额，这个时候缓存中存储的就不只是金额信息，而是完整的账户信息了。当更新缓存中账户金额时，你需要从缓存中查询完整的账户数据，把金额变更后再写入到缓存中。

这个过程中也会有并发的问题，比如说原有金额是 20，A 请求从缓存中读到数据，并且把金额加 1，变更成 21，在未写入缓存之前又有请求 B 也读到缓存的数据后把金额也加 1，也变更成 21，两个请求同时把金额写回缓存，这时缓存里面的金额是 21，但是我们实际上预期是金额数加 2，这也是一个比较大的问题。

**那我们要如何解决这个问题呢？**其实，我们可以在更新数据时不更新缓存，而是删除缓存中的数据，在读取数据时，发现缓存中没了数据之后，再从数据库中读取数据，更新到缓存中。

这个策略就是我们使用缓存最常见的策略，Cache Aside 策略（也叫旁路缓存策略），这个策略数据以数据库中的数据为准，缓存中的数据是按需加载的。它可以分为读策略和写策略，其中读策略的步骤是：

• 从缓存中读取数据；
• 如果缓存命中，则直接返回数据；
• 如果缓存不命中，则从数据库中查询数据；
• 查询到数据后，将数据写入到缓存中，并且返回给用户。

写策略的步骤是：

• 更新数据库中的记录；
• 删除缓存记录。

你也许会问了，在写策略中，能否先删除缓存，后更新数据库呢？**答案是不行的，**因为这样也有可能出现缓存数据不一致的问题，我以用户表的场景为例解释一下。

假设某个用户的年龄是 20，请求 A 要更新用户年龄为 21，所以它会删除缓存中的内容。这时，另一个请求 B 要读取这个用户的年龄，它查询缓存发现未命中后，会从数据库中读取到年龄为 20，并且写入到缓存中，然后请求 A 继续更改数据库，将用户的年龄更新为 21，这就造成了缓存和数据库的不一致。

那么像 Cache Aside 策略这样先更新数据库，后删除缓存就没有问题了吗？其实在理论上还是有缺陷的。假如某个用户数据在缓存中不存在，请求 A 读取数据时从数据库中查询到年龄为 20，在未写入缓存中时另一个请求 B 更新数据。它更新数据库中的年龄为 21，并且清空缓存。这时请求 A 把从数据库中读到的年龄为 20 的数据写入到缓存中，造成缓存和数据库数据不一致。

不过这种问题出现的几率并不高，原因是缓存的写入通常远远快于数据库的写入，所以在实际中很难出现请求 B 已经更新了数据库并且清空了缓存，请求 A 才更新完缓存的情况。而一旦请求 A 早于请求 B 清空缓存之前更新了缓存，那么接下来的请求就会因为缓存为空而从数据库中重新加载数据，所以不会出现这种不一致的情况。

**Cache Aside 策略是我们日常开发中最经常使用的缓存策略，不过我们在使用时也要学会依情况而变。**比如说当新注册一个用户，按照这个更新策略，你要写数据库，然后清理缓存（当然缓存中没有数据给你清理）。可当我注册用户后立即读取用户信息，并且数据库主从分离时，会出现因为主从延迟所以读不到用户信息的情况。

而解决这个问题的办法恰恰是在插入新数据到数据库之后写入缓存，这样后续的读请求就会从缓存中读到数据了。并且因为是新注册的用户，所以不会出现并发更新用户信息的情况。

Cache Aside 存在的最大的问题是当写入比较频繁时，缓存中的数据会被频繁地清理，这样会对缓存的命中率有一些影响。如果你的业务对缓存命中率有严格的要求，那么可以考虑两种解决方案：

1. 一种做法是在更新数据时也更新缓存，只是在更新缓存前先加一个分布式锁，因为这样在同一时间只允许一个线程更新缓存，就不会产生并发问题了。当然这么做对于写入的性能会有一些影响；

2. 另一种做法同样也是在更新数据时更新缓存，只是给缓存加一个较短的过期时间，这样即使出现缓存不一致的情况，缓存的数据也会很快地过期，对业务的影响也是可以接受。

缓存分类

在我们日常开发中，常见的缓存主要就是静态缓存、分布式缓存和热点本地缓存这三种。

静态缓存在 Web 1.0 时期是非常著名的，它一般通过生成 Velocity 模板或者静态 HTML 文件来实现静态缓存，在 Nginx 上部署静态缓存可以减少对于后台应用服务器的压力。例如，我们在做一些内容管理系统的时候，后台会录入很多的文章，前台在网站上展示文章内容，就像新浪，网易这种门户网站一样。

当然，我们也可以把文章录入到数据库里面，然后前端展示的时候穿透查询数据库来获取数据，但是这样会对数据库造成很大的压力。即使我们使用分布式缓存来挡读请求，但是对于像日均 PV 几十亿的大型门户网站来说，基于成本考虑仍然是不划算的。

所以我们的解决思路是每篇文章在录入的时候渲染成静态页面，放置在所有的前端 Nginx 或者 Squid 等 Web 服务器上，这样用户在访问的时候会优先访问 Web 服务器上的静态页面，在对旧的文章执行一定的清理策略后，依然可以保证 99% 以上的缓存命中率。

这种缓存只能针对静态数据来缓存，对于动态请求就无能为力了。那么我们如何针对动态请求做缓存呢？这时你就需要分布式缓存了。

分布式缓存的大名可谓是如雷贯耳了，我们平时耳熟能详的 Memcached、Redis 就是分布式缓存的典型例子。它们性能强劲，通过一些分布式的方案组成集群可以突破单机的限制。所以在整体架构中，分布式缓存承担着非常重要的角色。

对于静态的资源的缓存你可以选择静态缓存，对于动态的请求你可以选择分布式缓存，那么什么时候要考虑热点本地缓存呢？

**答案是当我们遇到极端的热点数据查询的时候。**热点本地缓存主要部署在应用服务器的代码中，用于阻挡热点查询对于分布式缓存节点或者数据库的压力。

比如某一位明星在微博上有了热点话题，“吃瓜群众”会到他 (她) 的微博首页围观，这就会引发这个用户信息的热点查询。这些查询通常会命中某一个缓存节点或者某一个数据库分区，短时间内会形成极高的热点查询。

那么我们会在代码中使用一些本地缓存方案，如 HashMap，Guava Cache 或者是 Ehcache 等，它们和应用程序部署在同一个进程中，优势是不需要跨网络调度，速度极快，所以可以来阻挡短时间内的热点查询。来看个例子。

比方说你的垂直电商系统的首页有一些推荐的商品，这些商品信息是由编辑在后台录入和变更。你分析编辑录入新的商品或者变更某个商品的信息后，在页面的展示是允许有一些延迟的，比如说 30 秒的延迟，并且首页请求量最大，即使使用分布式缓存也很难抗住，所以你决定使用 Guava Cache 来将所有的推荐商品的信息缓存起来，并且设置每隔 30 秒重新从数据库中加载最新的所有商品。

首先，我们初始化 Guava 的 Loading Cache：

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CacheBuilder<String, List<Product>> cacheBuilder = CacheBuilder.newBuilder().maximumSize(maxSize).recordStats(); // 设置缓存最大值
cacheBuilder = cacheBuilder.refreshAfterWrite(30, TimeUnit.Seconds); // 设置刷新间隔
 
LoadingCache<String, List<Product>> cache = cacheBuilder.build(new CacheLoader<String, List<Product>>() {
    @Override
    public List<Product> load(String k) throws Exception {
        return productService.loadAll(); // 获取所有商品
    }
});

这样，你在获取所有商品信息的时候可以调用 Loading Cache 的 get 方法，就可以优先从本地缓存中获取商品信息，如果本地缓存不存在，会使用 CacheLoader 中的逻辑从数据库中加载所有的商品。

由于本地缓存是部署在应用服务器中，而我们应用服务器通常会部署多台，当数据更新时，我们不能确定哪台服务器本地中了缓存，更新或者删除所有服务器的缓存不是一个好的选择，所以我们通常会等待缓存过期。因此，这种缓存的有效期很短，通常为分钟或者秒级别，以避免返回前端脏数据。

缓存的不足

通过了解上面的内容，你不难发现，缓存的主要作用是提升访问速度，从而能够抗住更高的并发。那么，缓存是不是能够解决一切问题？显然不是。事物都是具有两面性的，缓存也不例外，我们要了解它的优势的同时也需要了解它有哪些不足，从而扬长避短，将它的作用发挥到最大。

**首先，缓存比较适合于读多写少的业务场景，并且数据最好带有一定的热点属性。**这是因为缓存毕竟会受限于存储介质不可能缓存所有数据，那么当数据有热点属性的时候才能保证一定的缓存命中率。比如说类似微博、朋友圈这种 20% 的内容会占到 80% 的流量。所以，一旦当业务场景读少写多时或者没有明显热点时，比如在搜索的场景下，每个人搜索的词都会不同，没有明显的热点，那么这时缓存的作用就不明显了。

**其次，缓存会给整体系统带来复杂度，并且会有数据不一致的风险。**当更新数据库成功，更新缓存失败的场景下，缓存中就会存在脏数据。对于这种场景，我们可以考虑使用较短的过期时间或者手动清理的方式来解决。

**再次，之前提到缓存通常使用内存作为存储介质，但是内存并不是无限的。**因此，我们在使用缓存的时候要做数据存储量级的评估，对于可预见的需要消耗极大存储成本的数据，要慎用缓存方案。同时，缓存一定要设置过期时间，这样可以保证缓存中的会是热点数据。

**最后，缓存会给运维也带来一定的成本，**运维需要对缓存组件有一定的了解，在排查问题的时候也多了一个组件需要考虑在内。

虽然有这么多的不足，但是缓存对于性能的提升是毋庸置疑的，我们在做架构设计的时候也需要把它考虑在内，只是在做具体方案的时候需要对缓存的设计有更细致的思考，才能最大化的发挥缓存的优势。