提前排雷！分布式緩存的25個(gè)優(yōu)秀實(shí)踐與線上案例

本文主要介紹使用分布式緩存的優(yōu)秀實(shí)踐和線上案例。這些案例是筆者在多家互聯(lián)網(wǎng)公司里積累并形成的優(yōu)秀實(shí)踐，能夠幫助大家在生產(chǎn)實(shí)踐中避免很多不必要的生產(chǎn)事故。

一、緩存設(shè)計(jì)的核心要素

我們?cè)趹?yīng)用中決定使用緩存時(shí)，通常需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)緩存架構(gòu)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不然，里面蘊(yùn)含了很多深?yuàn)W的原理，如果使用不當(dāng)，則會(huì)造成很多生產(chǎn)事故甚至是服務(wù)雪崩之類的嚴(yán)重問題。

筆者在做設(shè)計(jì)評(píng)審的過程中，總結(jié)了所有與緩存設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，這里列出來(lái)供大家參考。

1、容量規(guī)劃

• 緩存內(nèi)容的大小

• 緩存內(nèi)容的數(shù)量

• 淘汰策略

• 緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 每秒的讀峰值

• 每秒的寫峰值

2、性能優(yōu)化

• 線程模型

• 預(yù)熱方法

• 緩存分片

• 冷熱數(shù)據(jù)的比例

3、高可用

• 復(fù)制模型

• 失效轉(zhuǎn)移

• 持久策略

• 緩存重建

4、緩存監(jiān)控

• 緩存服務(wù)監(jiān)控

• 緩存容量監(jiān)控

• 緩存請(qǐng)求監(jiān)控

• 緩存響應(yīng)時(shí)間監(jiān)控

5、注意事項(xiàng)

• 是否有可能發(fā)生緩存穿透

• 是否有大對(duì)象

• 是否使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖

• 是否使用緩存支持的腳本（Lua）

• 是否避免了Race Condition

筆者在這里把這些設(shè)計(jì)點(diǎn)提供給讀者，請(qǐng)讀者在做緩存設(shè)計(jì)時(shí)把每一項(xiàng)作為一個(gè)思考的起點(diǎn)，思考我們?cè)谠O(shè)計(jì)緩存時(shí)是否想到了這些點(diǎn)，以避免在設(shè)計(jì)的過程中因忽略某一項(xiàng)而導(dǎo)致嚴(yán)重的線上事故發(fā)生。

二、緩存設(shè)計(jì)的優(yōu)秀實(shí)踐

筆者在做設(shè)計(jì)評(píng)審的過程中，總結(jié)了一些開發(fā)人員在設(shè)計(jì)緩存系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)秀實(shí)踐，如下所述：

優(yōu)秀實(shí)踐1

緩存系統(tǒng)主要消耗的是服務(wù)器的內(nèi)存，因此，在使用緩存時(shí)必須先對(duì)應(yīng)用需要緩存的數(shù)據(jù)大小進(jìn)行評(píng)估，包括緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、緩存大小、緩存數(shù)量、緩存的失效時(shí)間，然后根據(jù)業(yè)務(wù)情況自行推算在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)的容量的使用情況，根據(jù)容量評(píng)估的結(jié)果來(lái)申請(qǐng)和分配緩存資源，否則會(huì)造成資源浪費(fèi)或者緩存空間不夠。

優(yōu)秀實(shí)踐2

建議將使用緩存的業(yè)務(wù)進(jìn)行分離，核心業(yè)務(wù)和非核心業(yè)務(wù)使用不同的緩存實(shí)例，從物理上進(jìn)行隔離，如果有條件，則請(qǐng)對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)使用單獨(dú)的實(shí)例或者集群，以減小應(yīng)用之間互相影響的可能性。筆者就經(jīng)常聽說(shuō)有的公司應(yīng)用了共享緩存，造成緩存數(shù)據(jù)被覆蓋以及緩存數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的線上事故。

優(yōu)秀實(shí)踐3

根據(jù)緩存實(shí)例提供的內(nèi)存大小推算應(yīng)用需要使用的緩存實(shí)例數(shù)量，一般在公司里會(huì)成立一個(gè)緩存管理的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)將緩存資源虛擬成多個(gè)相同內(nèi)存大小的緩存實(shí)例。

例如一個(gè)實(shí)例有4GB內(nèi)存，在應(yīng)用申請(qǐng)時(shí)可以按需申請(qǐng)足夠的實(shí)例數(shù)量來(lái)使用，對(duì)這樣的應(yīng)用需要進(jìn)行分片，詳情請(qǐng)參考《可伸縮服務(wù)架構(gòu)：框架與中間件》中4.4.3的內(nèi)容。這里需要注意，如果我們使用了RDB備份機(jī)制，每個(gè)實(shí)例使用4GB內(nèi)存，則我們的系統(tǒng)需要大于8GB內(nèi)存，因?yàn)镽DB備份時(shí)使用了 copy-on-write 機(jī)制，需要fork出一個(gè)子進(jìn)程，并且復(fù)制一份內(nèi)存，因此需要雙份的內(nèi)存存儲(chǔ)大小。

優(yōu)秀實(shí)踐4

緩存一般是用來(lái)加速數(shù)據(jù)庫(kù)的讀操作的，一般先訪問緩存后訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，所以緩存的超時(shí)時(shí)間的設(shè)置是很重要的。筆者曾經(jīng)在一家互聯(lián)網(wǎng)公司遇到過由于運(yùn)維操作失誤導(dǎo)致緩存超時(shí)設(shè)置得較長(zhǎng)，從而拖垮服務(wù)的線程池，最終導(dǎo)致服務(wù)雪崩的情況。

優(yōu)秀實(shí)踐5

所有的緩存實(shí)例都需要添加監(jiān)控，這是非常重要的，我們需要對(duì)慢查詢、大對(duì)象、內(nèi)存使用情況做可靠的監(jiān)控。

優(yōu)秀實(shí)踐6

我們不推薦多個(gè)業(yè)務(wù)共享一個(gè)緩存實(shí)例，但是由于成本控制的原因，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)，我們需要通過規(guī)范來(lái)限制各個(gè)應(yīng)用使用的key有唯一的前綴，并進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生緩存互相覆蓋的問題。

優(yōu)秀實(shí)踐7

任何緩存的key都必須設(shè)定緩存失效時(shí)間，且失效時(shí)間不能集中在某一點(diǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致緩存占滿內(nèi)存或者緩存雪崩。

優(yōu)秀實(shí)踐8

低頻訪問的數(shù)據(jù)不要放在緩存中，如我們前面所說(shuō)的，我們使用緩存的主要目的是提高讀取性能。

曾經(jīng)有個(gè)小伙伴設(shè)計(jì)了一套定時(shí)的批處理系統(tǒng)，由于批處理系統(tǒng)需要對(duì)一個(gè)大的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算，所以該小伙伴把這個(gè)數(shù)據(jù)模型保存在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地緩存中，并通過消息隊(duì)列接收更新的消息來(lái)維護(hù)本地緩存中模型的實(shí)時(shí)性，但是這個(gè)模型每個(gè)月只用了一次，所以這樣使用緩存是很浪費(fèi)的。

既然是批處理任務(wù)，就需要把任務(wù)進(jìn)行分割，進(jìn)行批量處理，采用分而治之、逐步計(jì)算的方法，得出最終的結(jié)果即可。

優(yōu)秀實(shí)踐9

緩存的數(shù)據(jù)不易過大，尤其是Redis，因?yàn)镽edis使用的是單線程模型，在單個(gè)緩存key的數(shù)據(jù)過大時(shí)，會(huì)阻塞其他請(qǐng)求的處理。

優(yōu)秀實(shí)踐10

對(duì)于存儲(chǔ)較多value的key，盡量不要使用HGETALL等集合操作，該操作會(huì)造成請(qǐng)求阻塞，影響其他應(yīng)用的訪問。

優(yōu)秀實(shí)踐11

緩存一般用于在交易系統(tǒng)中加速查詢的場(chǎng)景，有大量的更新數(shù)據(jù)時(shí)，尤其是批量處理時(shí)，請(qǐng)使用批量模式，但是這種場(chǎng)景較少。

優(yōu)秀實(shí)踐12

如果對(duì)性能的要求不是非常高，則盡量使用分布式緩存，而不要使用本地緩存，因?yàn)楸镜鼐彺嬖诜?wù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間復(fù)制，在某一時(shí)刻副本之間是不一致的，如果這個(gè)緩存代表的是開關(guān)，而且分布式系統(tǒng)中的請(qǐng)求有可能會(huì)重復(fù)，就會(huì)導(dǎo)致重復(fù)的請(qǐng)求走到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的開關(guān)是開，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的開關(guān)是關(guān)，如果請(qǐng)求處理沒有做到冪等，就會(huì)造成處理重復(fù)，在嚴(yán)重情況下會(huì)造成資金損失。

優(yōu)秀實(shí)踐13

在寫緩存時(shí)一定要寫入完全正確的數(shù)據(jù)，如果緩存數(shù)據(jù)的一部分有效、一部分無(wú)效，則寧可放棄緩存，也不要把部分?jǐn)?shù)據(jù)寫入緩存，否則會(huì)造成空指針、程序異常等。

優(yōu)秀實(shí)踐14

在通常情況下，讀的順序是先緩存，后數(shù)據(jù)庫(kù)；寫的順序是先數(shù)據(jù)庫(kù)，后緩存。

優(yōu)秀實(shí)踐15

在使用本地緩存（如Ehcache）時(shí)，一定要嚴(yán)格控制緩存對(duì)象的個(gè)數(shù)及聲明周期。由于JVM的特性，過多的緩存對(duì)象會(huì)極大影響JVM的性能，甚至導(dǎo)致內(nèi)存溢出等。

優(yōu)秀實(shí)踐16

在使用緩存時(shí)，一定要有降級(jí)處理，尤其是對(duì)關(guān)鍵的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，緩存有問題或者失效時(shí)也要能回源到數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理。

三、關(guān)于常見的緩存問題的線上案例

筆者在多家互聯(lián)網(wǎng)公司負(fù)責(zé)架構(gòu)方案評(píng)審和線上事故復(fù)盤，這里列舉其中的一些典型案例，供大家參考和借鑒。

案例1

現(xiàn)象：某應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載瞬時(shí)升高。

原因：在應(yīng)用程序中對(duì)使用的大量緩存key設(shè)置了同一個(gè)固定的失效時(shí)間，當(dāng)緩存失效時(shí)，會(huì)造成在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，造成數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力較大。

總結(jié)：在使用緩存時(shí)需要進(jìn)行緩存設(shè)計(jì)，要充分考慮如何避免常見的緩存穿透、緩存雪崩、緩存并發(fā)等問題，尤其是對(duì)于高并發(fā)的緩存使用，需要對(duì)key的過期時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)設(shè)置，例如，將過期時(shí)間設(shè)置為10秒+random(2)，也就是將過期時(shí)間隨機(jī)設(shè)置成10～12秒。

案例2

現(xiàn)象：導(dǎo)致遷移前后兩個(gè)系統(tǒng)的核心操作重復(fù)。

原因：在遷移的過程中，重復(fù)的流量進(jìn)入了不同的節(jié)點(diǎn)，由于使用了本地緩存存儲(chǔ)遷移開關(guān)，而遷移開關(guān)在開關(guān)打開的瞬間導(dǎo)致各個(gè)節(jié)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)不一致，有的是開、有的是關(guān)，所以對(duì)于不同節(jié)點(diǎn)的流量的處理重復(fù)，一個(gè)走了開關(guān)開的邏輯，一個(gè)走了開關(guān)關(guān)的邏輯。

總結(jié)：避免使用本地緩存來(lái)存儲(chǔ)遷移開關(guān)，遷移開關(guān)應(yīng)該在有狀態(tài)的訂單上標(biāo)記。

案例3

現(xiàn)象：某模塊設(shè)計(jì)使用了緩存加速數(shù)據(jù)庫(kù)的讀操作的性能，但發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載并沒有明顯下降。

原因：由于這個(gè)模塊的使用方查詢請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在，是非法的數(shù)據(jù)，所以導(dǎo)致緩存沒有命中，每次都穿透到數(shù)據(jù)庫(kù)，且量級(jí)較大。

總結(jié)：在使用緩存時(shí)需要進(jìn)行緩存設(shè)計(jì)，要充分考慮如何避免常見的緩存穿透、緩存雪崩、緩存并發(fā)等問題，尤其是對(duì)高并發(fā)的緩存使用，需要對(duì)無(wú)效的key進(jìn)行緩存，以抵擋惡意的或者無(wú)意的對(duì)無(wú)效緩存查詢的攻擊或影響。

案例4

現(xiàn)象：監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，Redis中單個(gè)哈希鍵占用的空間巨大。

原因：應(yīng)用系統(tǒng)使用了哈希鍵，哈希鍵本身有過期時(shí)間，但是哈希鍵里面的每個(gè)鍵值對(duì)沒有過期時(shí)間。

總結(jié)：在設(shè)計(jì)Redis的過程中，如果有大量的鍵值對(duì)要保存，則請(qǐng)使用字符串鍵的數(shù)據(jù)庫(kù)類型，并對(duì)每個(gè)鍵都設(shè)置過期時(shí)間，請(qǐng)不要在哈希鍵內(nèi)部存儲(chǔ)一個(gè)沒有邊界的集合數(shù)據(jù)。實(shí)際上，無(wú)論是對(duì)緩存、內(nèi)存還是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，如果使用任意一個(gè)集合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則都要考慮為它設(shè)置最大限制，避免內(nèi)存用光，最常見的是集合溢出導(dǎo)致的內(nèi)存溢出的問題。

案例5

現(xiàn)象：某業(yè)務(wù)項(xiàng)目由于緩存宕機(jī)導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯中斷，數(shù)據(jù)不一致。

原因：Redis進(jìn)行主備切換，導(dǎo)致瞬間內(nèi)應(yīng)用連接Redis異常，應(yīng)用并沒有對(duì)緩存做降級(jí)處理。

總結(jié)：對(duì)于核心業(yè)務(wù)，在使用緩存時(shí)一定要有降級(jí)方案。常見的降級(jí)方案是在數(shù)據(jù)庫(kù)層次預(yù)留足夠的容量，在某一部分緩存出現(xiàn)問題時(shí)，可以讓應(yīng)用暫時(shí)回源到數(shù)據(jù)庫(kù)繼續(xù)業(yè)務(wù)邏輯，而不應(yīng)該中斷業(yè)務(wù)邏輯，但是這需要嚴(yán)格的容量評(píng)估，請(qǐng)參考《分布式服務(wù)架構(gòu)：原理設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)》第3章的內(nèi)容。

案例6

現(xiàn)象：某應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載升高，響應(yīng)變慢，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)行頻繁GC，甚至出現(xiàn)OutOfMemroyError: GC overhead limt exceed的錯(cuò)誤日志。

原因：
因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目是個(gè)歷史項(xiàng)目，使用了Hibernate ORM框架，在Hibernate中開啟了二級(jí)緩存，使用了Ehcache；但是在Ehcache中沒有控制緩存對(duì)象的個(gè)數(shù)，緩存對(duì)象增多，導(dǎo)致內(nèi)存緊張，所以進(jìn)行了頻繁的GC操作。

總結(jié)：
使用本地緩存（如Ehcache、OSCache、應(yīng)用內(nèi)存）時(shí)，一定要嚴(yán)格控制緩存對(duì)象的個(gè)數(shù)及聲明周期。

案例7

現(xiàn)象：某個(gè)正常運(yùn)行的應(yīng)用突然報(bào)警線程數(shù)過高，之后很快就出現(xiàn)了內(nèi)存溢出。

原因：由于緩存連接數(shù)達(dá)到最大限制，應(yīng)用無(wú)法連接緩存，并且超時(shí)時(shí)間設(shè)置得較大，導(dǎo)致訪問緩存的服務(wù)都在等待緩存操作返回，由于緩存負(fù)載較高，處理不完所有的請(qǐng)求，但是這些服務(wù)都在等待緩存操作返回，服務(wù)這時(shí)在等待，并沒有超時(shí)，就不能降級(jí)并繼續(xù)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。這在BIO模式下線程池就會(huì)撐滿，使用方的線程池也都撐滿；在NIO模式下一樣會(huì)使服務(wù)的負(fù)載增加，服務(wù)響應(yīng)變慢，甚至使服務(wù)被壓垮。

總結(jié)：在使用遠(yuǎn)程緩存（如Redis、Memcached）時(shí)，一定要對(duì)操作超時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，這是非常關(guān)鍵的，一般我們?cè)O(shè)計(jì)緩存作為加速數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的手段，也會(huì)對(duì)緩存操作做降級(jí)處理，因此推薦使用更短的緩存超時(shí)時(shí)間，如果一定要給出一個(gè)數(shù)字，則希望是100毫秒以內(nèi)。

案例8

現(xiàn)象：某項(xiàng)目使用緩存存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，上線后出現(xiàn)錯(cuò)誤問題，開發(fā)人員束手無(wú)策。

原因：開發(fā)人員不知道如何發(fā)現(xiàn)、排查、定位和解決緩存問題。

總結(jié)：在設(shè)計(jì)緩存時(shí)要有降級(jí)方案，在遇到問題時(shí)首先使用降級(jí)方法，還要設(shè)計(jì)完善的監(jiān)控和報(bào)警功能，幫助開發(fā)人員快速發(fā)現(xiàn)緩存問題，進(jìn)而來(lái)定位和解決問題。

案例9

現(xiàn)象：某項(xiàng)目在使用緩存后，開發(fā)測(cè)試通過，到生產(chǎn)環(huán)境后，服務(wù)卻出現(xiàn)了不可預(yù)知的問題。

原因：該應(yīng)用的緩存key與其他應(yīng)用緩存 key沖突，導(dǎo)致互相覆蓋，出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。

總結(jié)：在使用緩存時(shí)一定要有隔離的設(shè)計(jì)，可以通過不同的緩存實(shí)例來(lái)做物理隔離，也可以通過各個(gè)應(yīng)用的緩存key使用不同的前綴進(jìn)行邏輯隔離。