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解决Redis缓存击穿问题(互斥锁、逻辑过期)

作者：小璐乱撞xllz

本文介绍了背景缓存击穿问题及两种常见解决方案：互斥锁与逻辑过期,互斥锁通过获取锁来确保数据最新,但响应速度慢,可能有死锁风险,逻辑过期利用过期字段判断缓存是否过期,提高性能但不保证一致性,需要额外内存,通过JMeter测试,两种方案都能有效缓解缓存击穿问题

背景

缓存击穿也叫热点 Key 问题，就是一个被高并发访问并且缓存重建业务较复杂的 key 突然失效了，无数的请求访问会在瞬间给数据库带来巨大的冲击

常见的解决方案有两种：

互斥锁：

本质就是让所有线程在缓存未命中时，需要先获取互斥锁才能从数据库查询并重建缓存，而未获取到互斥锁的，需要不断循环查询缓存、未命中就尝试获取互斥锁的过程。因此这种方式可以让所有线程返回的数据都一定是最新的，但响应速度不高

逻辑过期：

本质就是让热点 key 在 redis 中永不过期，而通过过期字段来自行判断该 key 是否过期，如果未过期，则直接返回；如果过期，则需要获取互斥锁，并开启新线程来重建缓存，而原线程可以直接返回旧数据；如果获取互斥锁失败，就代表已有其他线程正在执行缓存重建工作，此时直接返回旧数据即可

两者的对比：

解决方案优点缺点
互斥锁没有额外的内存消耗保证一致性实现简单线程需要等待，性能受影响可能有死锁风险
逻辑过期线程无需等待，性能较好不保证一致性有额外内存消耗实现复杂

代码实现

前置

这里以根据 id 查询商品店铺为案例

实体类

@Data
@EqualsAndHashCode(callSuper = false)
@Accessors(chain = true)
@TableName("tb_shop")
public class Shop implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    /**
     * 主键
     */
    @TableId(value = "id", type = IdType.AUTO)
    private Long id;

    /**
     * 商铺名称
     */
    private String name;

    /**
     * 商铺类型的id
     */
    private Long typeId;

    /**
     * 商铺图片，多个图片以','隔开
     */
    private String images;

    /**
     * 商圈，例如陆家嘴
     */
    private String area;

    /**
     * 地址
     */
    private String address;

    /**
     * 经度
     */
    private Double x;

    /**
     * 维度
     */
    private Double y;

    /**
     * 均价，取整数
     */
    private Long avgPrice;

    /**
     * 销量
     */
    private Integer sold;

    /**
     * 评论数量
     */
    private Integer comments;

    /**
     * 评分，1~5分，乘10保存，避免小数
     */
    private Integer score;

    /**
     * 营业时间，例如 10:00-22:00
     */
    private String openHours;

    /**
     * 创建时间
     */
    private LocalDateTime createTime;

    /**
     * 更新时间
     */
    private LocalDateTime updateTime;


    @TableField(exist = false)
    private Double distance;
}

常量类

public class RedisConstants {
    public static final String CACHE_SHOP_KEY = "cache:shop:";

    public static final String LOCK_SHOP_KEY = "lock:shop:";
    public static final Long LOCK_SHOP_TTL = 10L;

    public static final String EXPIRE_KEY = "expire";
}

工具类

public class ObjectMapUtils {

    // 将对象转为 Map
    public static Map<String, String> obj2Map(Object obj) throws IllegalAccessException {
        Map<String, String> result = new HashMap<>();
        Class<?> clazz = obj.getClass();
        Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
        for (Field field : fields) {
            // 如果为 static 且 final 则跳过
            if (Modifier.isStatic(field.getModifiers()) && Modifier.isFinal(field.getModifiers())) {
                continue;
            }
            field.setAccessible(true); // 设置为可访问私有字段
            Object fieldValue = field.get(obj);
            if (fieldValue != null) {
                result.put(field.getName(), field.get(obj).toString());
            }
        }
        return result;
    }

    // 将 Map 转为对象
    public static Object map2Obj(Map<Object, Object> map, Class<?> clazz) throws Exception {
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        for (Map.Entry<Object, Object> entry : map.entrySet()) {
            Object fieldName = entry.getKey();
            Object fieldValue = entry.getValue();
            Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName.toString());
            field.setAccessible(true); // 设置为可访问私有字段
            String fieldValueStr = fieldValue.toString();
            // 根据字段类型进行转换
            fillField(obj, field, fieldValueStr);

        }
        return obj;
    }

    // 将 Map 转为对象（含排除字段）
    public static Object map2Obj(Map<Object, Object> map, Class<?> clazz, String... excludeFields) throws Exception {
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        for (Map.Entry<Object, Object> entry : map.entrySet()) {
            Object fieldName = entry.getKey();
            if(Arrays.asList(excludeFields).contains(fieldName)) {
                continue;
            }
            Object fieldValue = entry.getValue();
            Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName.toString());
            field.setAccessible(true); // 设置为可访问私有字段
            String fieldValueStr = fieldValue.toString();
            // 根据字段类型进行转换
            fillField(obj, field, fieldValueStr);
        }
        return obj;
    }

    // 填充字段
    private static void fillField(Object obj, Field field, String value) throws IllegalAccessException {
        if (field.getType().equals(int.class) || field.getType().equals(Integer.class)) {
            field.set(obj, Integer.parseInt(value));
        } else if (field.getType().equals(boolean.class) || field.getType().equals(Boolean.class)) {
            field.set(obj, Boolean.parseBoolean(value));
        } else if (field.getType().equals(double.class) || field.getType().equals(Double.class)) {
            field.set(obj, Double.parseDouble(value));
        } else if (field.getType().equals(long.class) || field.getType().equals(Long.class)) {
            field.set(obj, Long.parseLong(value));
        } else if (field.getType().equals(String.class)) {
            field.set(obj, value);
        } else if(field.getType().equals(LocalDateTime.class)) {
            field.set(obj, LocalDateTime.parse(value));
        }
    }

}

结果返回类

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Result {
    private Boolean success;
    private String errorMsg;
    private Object data;
    private Long total;

    public static Result ok(){
        return new Result(true, null, null, null);
    }
    public static Result ok(Object data){
        return new Result(true, null, data, null);
    }
    public static Result ok(List<?> data, Long total){
        return new Result(true, null, data, total);
    }
    public static Result fail(String errorMsg){
        return new Result(false, errorMsg, null, null);
    }
}

控制层

@RestController
@RequestMapping("/shop")
public class ShopController {

    @Resource
    public IShopService shopService;

    /**
     * 根据id查询商铺信息
     * @param id 商铺id
     * @return 商铺详情数据
     */
    @GetMapping("/{id}")
    public Result queryShopById(@PathVariable("id") Long id) {
        return shopService.queryShopById(id);
    }
    
}

互斥锁方案

流程图为：

服务层代码：

public Result queryShopById(Long id) {
    Shop shop = queryWithMutex(id);
    if(shop == null) {
        return Result.fail("店铺不存在");
    }
    return Result.ok(shop);
}

// 互斥锁解决缓存击穿
public Shop queryWithMutex(Long id) {
    String shopKey = RedisConstants.CACHE_SHOP_KEY + id;
    boolean flag = false;
    try {
        do {
            // 从 redis 查询
            Map<Object, Object> entries = redisTemplate.opsForHash().entries(shopKey);
            // 缓存命中
            if(!entries.isEmpty()) {
                try {
                    // 刷新有效期
                    redisTemplate.expire(shopKey, RedisConstants.CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
                    Shop shop = (Shop) ObjectMapUtils.map2Obj(entries, Shop.class);
                    return shop;
                } catch (Exception e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            // 缓存未命中，尝试获取互斥锁
            flag = tryLock(id);
            if(flag) { // 获取成功，进行下一步
                break;
            }
            // 获取失败，睡眠后重试
            Thread.sleep(50);
        } while(true); //未获取到锁，休眠后重试
        // 查询数据库
        Shop shop = this.getById(id);
        if(shop == null) {
            // 不存在，直接返回
            return null;
        }
        // 存在，写入 redis
        try {

            // 测试，延迟缓存重建过程
            /*try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }*/

            redisTemplate.opsForHash().putAll(shopKey, ObjectMapUtils.obj2Map(shop));
            redisTemplate.expire(shopKey, RedisConstants.CACHE_SHOP_TTL, TimeUnit.MINUTES);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return shop;
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } finally {
        if(flag) { // 获取了锁需要释放
            unlock(id);
        }
    }

}

测试：

这里使用 JMeter 进行测试

运行结果如下：

可以看到控制台只有一个查询数据库的请求，说明互斥锁生效了

逻辑过期方案

流程图如下：

采用逻辑过期的方式时，key 是不会过期的，而这里由于是热点 key，我们默认其是一定存在于 redis 中的（可以做缓存预热事先加入 redis），因此如果 redis 没命中，就直接返回空

服务层代码：

public Result queryShopById(Long id) {
    // 逻辑过期解决缓存击穿
    Shop shop = queryWithLogicalExpire(id);
    if (shop == null) {
        return Result.fail("店铺不存在");
    }
    return Result.ok(shop);
}

// 逻辑过期解决缓存击穿
private Shop queryWithLogicalExpire(Long id) {
    String shopKey = RedisConstants.CACHE_SHOP_KEY + id;
    // 从 redis 查询
    Map<Object, Object> entries = redisTemplate.opsForHash().entries(shopKey);
    // 缓存未命中，返回空
    if(entries.isEmpty()) {
        return null;
    }
    try {
        Shop shop = (Shop) ObjectMapUtils.map2Obj(entries, Shop.class, RedisConstants.EXPIRE_KEY);
        LocalDateTime expire = LocalDateTime.parse(entries.get(RedisConstants.EXPIRE_KEY).toString());
        // 判断缓存是否过期
        if(expire.isAfter(LocalDateTime.now())) {
            // 未过期则直接返回
            return shop;
        }
        // 过期需要先尝试获取互斥锁
        if(tryLock(id)) {
            // 获取成功
            // 双重检验
            entries = redisTemplate.opsForHash().entries(shopKey);
            shop = (Shop) ObjectMapUtils.map2Obj(entries, Shop.class, RedisConstants.EXPIRE_KEY);
            expire = LocalDateTime.parse(entries.get(RedisConstants.EXPIRE_KEY).toString());
            if(expire.isAfter(LocalDateTime.now())) {
                // 未过期则直接返回
                unlock(id);
                return shop;
            }
            // 通过线程池完成重建缓存任务
            CACHE_REBUILD_EXECUTOR.submit(() -> {
                try {
                    rebuildCache(id, 20L);
                } catch (Exception e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } finally {
                    unlock(id);
                }
            });
        }
        return shop;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

// 尝试加锁
private boolean tryLock(Long id) {
    Boolean isLocked = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY + id,
            "1", RedisConstants.LOCK_SHOP_TTL, TimeUnit.SECONDS);
    return Boolean.TRUE.equals(isLocked);
}

// 解锁
private void unlock(Long id) {
    redisTemplate.delete(RedisConstants.LOCK_SHOP_KEY + id);
}

// 重建缓存
private void rebuildCache(Long id, Long expireTime) throws IllegalAccessException {
    Shop shop = this.getById(id);
    Map<String, String> map = ObjectMapUtils.obj2Map(shop);
    // 添加逻辑过期时间
    map.put(RedisConstants.EXPIRE_KEY, LocalDateTime.now().plusMinutes(expireTime).toString());
    redisTemplate.opsForHash().putAll(RedisConstants.CACHE_SHOP_KEY + id, map);
}

测试：

这里先预热，将 id 为 1 的数据加入，并且让过期字段为过去的时间，即表示此数据已过期

然后将数据库中对应的 name 由 “101茶餐厅” 改为 “103茶餐厅”

然后使用 JMeter 测试

测试结果：

可以看到部分结果返回的旧数据，而部分结果返回的是新数据

且 redis 中的数据也已经更新

并且，系统中只有一条查询数据库的请求

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。 

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