浅谈Redis缓存的穿透、击穿和雪崩-CRMEB社区

浅谈Redis缓存的穿透、击穿和雪崩

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Redis是一种流行的内存缓存解决方案，但在实际使用中，会遇到一些缓存相关的问题，其中最主要的就是缓存穿透，击穿和雪崩问题。

一、缓存穿透

缓存穿透是指当查询一个不存在的缓存时，由于缓存中没有相应的数据，而数据库中也不存在对应的数据，导致每次查询都必须访问数据库，这会导致数据库的负载过高。攻击者可以利用这个漏洞进行恶意攻击，通过不断查询不存在的缓存，来使缓存服务器或者数据库瘫痪。

关于缓存穿透常用的的有两种解决办法：

第一种，缓存空数据，当查询一个不存在的数据时，可以将这个查询结果缓存起来，以空对象的形式存储在缓存中。这样，在下一次查询时，如果缓存中存在这个空对象，就可以直接返回，而不会再次查询数据库或接口。

第二种，使用布隆过滤器

<?php

/**
 * 布隆过滤器类
 */
class BloomFilter {
    private $redis; // Redis对象
    private $bitmapSize; // 位图大小
    private $hashCount; // 哈希函数数量

    /**
     * 构造函数
     * @param int $bitmapSize 位图大小，默认为1024
     * @param int $hashCount 哈希函数数量，默认为3
     */
    public function __construct($bitmapSize = 1024, $hashCount = 3) {
        // 实例化Redis对象并连接到Redis服务器
		$redis = new Redis();
		$redis->connect('127.0.0.1', 6379);
		$this->redis = $redis;
        $this->bitmapSize = $bitmapSize;
        $this->hashCount = $hashCount;
    }

    /**
     * 插入元素到布隆过滤器中
     * @param string $element 要插入的元素
     */
    public function insert($element) {
        // 对元素进行多次哈希，并在位图中设置相应位置为1
        for ($i = 1; $i <= $this->hashCount; $i++) {
            $hash = md5($element . $i);
            $position = hexdec(substr($hash, 0, 6)) % $this->bitmapSize;
            $this->redis->setBit('bloom_filter', $position, 1);
        }
    }

    /**
     * 判断元素是否存在于布隆过滤器中
     * @param string $element 要判断的元素
     * @return bool 如果存在返回true，否则返回false
     */
    public function contains($element) {
        // 对元素进行多次哈希，并检查位图相应位置是否为1
        for ($i = 1; $i <= $this->hashCount; $i++) {
            $hash = md5($element . $i);
            $position = hexdec(substr($hash, 0, 6)) % $this->bitmapSize;
            if (!$this->redis->getBit('bloom_filter', $position)) {
                // 如果任意一个位置为0，则表示元素不存在于布隆过滤器中
                return false;
            }
        }
        // 如果所有位置都为1，则表示元素可能存在于布隆过滤器中
        return true;
    }
}

// 缓存穿透解决方案
$redis = new Redis();
$redis->connect('127.0.0.1', 6379);

// 实例化布隆过滤器对象
$bloomFilter = new BloomFilter($redis);
$cacheKey = 'product_info_123';
if ($bloomFilter->contains($cacheKey)) {
    $productInfo = $redis->get($cacheKey);
    if ($productInfo) {
        return $productInfo;
    }
} else {
    // 如果布隆过滤器中不存在该键，则直接返回空结果
    return null;
}

// 如果缓存中不存在该键，则从数据库中查询并存入缓存和布隆过滤器中
$productInfo = $database->queryProductInfoById(123);
if (!$productInfo) {
    // 如果数据库中也不存在该记录，则插入一个空记录，防止缓存穿透攻击
    $productInfo = '';
    $redis->set($cacheKey, 60, $productInfo);
} else {
    $redis->set($cacheKey, 60, $productInfo);
    $bloomFilter->insert($cacheKey);
}
return $productInfo;

二、缓存击穿

缓存击穿是指当某个热点数据失效时，大量的并发请求访问这个热点数据，导致所有请求都访问数据库，从而使数据库的负载急剧增加。为了避免这种情况发生，可以将热点数据的缓存时间设置为永不过期，或者设置一个较长的过期时间。

$redis->set($key, $value, -1) 和$redis->set($key, $value) 都可以用来设置缓存数据，并且让缓存永不过期。

三、缓存雪崩

缓存雪崩是指当某一时刻缓存中的大量数据同时失效时，大量的并发请求访问这些失效的数据，导致所有请求都访问数据库，从而使数据库的负载急剧增加。为了避免这个问题，我们可以设置缓存的过期时间随机化，使缓存的失效时间不同，避免大量数据同时失效。此外，我们也可以采用缓存预热的方式，提前将热点数据加载到缓存中，以减少缓存的失效率。

在实际应用中，可以通过设置一个随机数生成器，随机生成一个缓存时间偏移量，然后将缓存时间加上偏移量作为实际缓存时间。例如，在一个缓存时间为60秒的基础上，可以随机生成一个0到10秒的偏移量，然后将缓存时间设置为60秒加上该偏移量，即在60到70秒之间随机。

// 缓存时间
$cache_time = 60;

// 生成随机偏移量
$offset = rand(0, 10);

// 设置缓存时间
$expire_time = $cache_time + $offset;

// 设置缓存
$redis->set($key, $value, $expire_time);