说说 Redis 缓存穿透场景与相应的解决方法

Redis 缓存主要缓存穿透、缓存击穿与缓存雪崩异常场景，今天我们来讲讲缓存穿透。

1 场景描述

缓存穿透是指客户端请求一个缓存和数据库中都不存在的 key。由于缓存中不存在，所以请求会透过缓存查询数据库；由于数据库中也不存在，所以也没办法更新缓存。因此下一次同样的请求还是会打在数据库上。

好像缓存被穿透了一样，缓存形如虚设。所有的压力都在数据库之上，如果请求量巨大，可能造成数据库崩溃。

2 解决方法

缓存穿透有以下几种解决方法。

2.1 接口校验

在请求入口进行校验，比如对用户进行鉴权、数据合法性检查等操作，这样可以减少缓存穿透发生的概率。

这种方式减轻了对 Redis 以及数据库的压力，但是增加了客户端的编码与维护的工作量。如果请求的入口很多，那么工作量很大。

2.2 缓存空值

当缓存与数据库中都没有 key 时，就设置一个空值写入缓存，并同时设置一个比较短的过期时间。由于在缓存中设置空值，所以请求在缓存这一级别就返回，也就不会被穿透。这些所说的不会被穿透只是针对某个 key 而言的。其它没有设置空值的 key，仍然存在被穿透的可能。

该方法的问题是：由于不存在的 key 几乎是无限，不可被穷举的，所以不可能都设置到缓存中。而且大量这样的空值 key 设置到缓存，也会占用大量的内存空间。

解决：采用下面提到的布隆过滤器直接过滤掉不存在的 key。

2.3 布隆过滤器

布隆过滤器（Bloom Filter）是1970年由布隆提出的。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数。布隆过滤器可以用于判断一个元素是否在一个集合中²。

布隆过滤器的特点是判断为不存在的，则一定不存在；判断存在的，则大概率存在。

2.3.1 布隆过滤器原理

布隆过滤器的原理是当一个元素被加入集合时，通过K个散列函数将这个元素映射成一个位数组中的K个点，把它们置为1。检索时，我们只要看看这些点是不是都是1就（大约）知道集合中有没有它了：如果这些点有任何一个0，则被检元素一定不在；如果都是1，则被检元素很可能在。这就是布隆过滤器的基本思想³。

假设有这样一个集合 S，它包含 a b c 三个元素。那么布隆过滤器会利用多个哈希函数（图中是三个哈希函数 h1、h2、h3）来计算所在的位，然后将该位设置为 1。比如元素 a，经过三个哈希函数计算后，将相应的位设置为 1，也就是图中的红线。元素 b 和 c 也是按照相应的方法进行计算处理。这时布隆过滤器初始化完毕。

假设有一个元素 d，需要判断它是否在我们刚才所创建的布隆过滤器中（图中的黄色线条）。经过三个哈希函数 h1、h2、h3 计算后，发现相应的位都是 1，布隆过滤器会返回 true。也就是认为这个元素可能在，也可能不在集合中。看到这里，有同学就会问：“既然这个布隆过滤器都不知道这个元素是不是在集合中，对我们有什么用呢？”

布隆过滤器的强大之处是可以利用较小的缓存，就可以判断出某个元素是否不在集合中。比如又来了一个元素 e，经过三个哈希函数 h1、h2、h3 计算后，发现 h1(e) 所对应的位是 0。那么这个元素 e 肯定不在集合中。有同学又说了：“我用 HashMap 不是也能判断出某个元素在不在集合中呀？”

HashMap 是可以判断，但需要存储集合中所有的元素。如果集合中有上亿个元素，那么就会占用大量的内存。内存空间毕竟是有限，可能还不一定放的下这么多的元素。与 HashMap 相比， 布隆过滤器占用的空间很小，所以很适合判断大集合中某个元素是否不存在。

2.3.2 布隆过滤器误识别率

之前的示例中可以看出，布隆过滤器判断为不存在的元素，则一定不存在；而判断存在的元素，则大概率存在。也就是说，有的元素可能并不在集合中，但是布隆过滤器会认为它存在。这就涉及到一个概念：误识别率。误识别率指的错误判断一个元素在集合中的概率。

假设布隆过滤器有 m bit 大小，需要放入 n 个元素，每个元素使用 k 个哈希函数，那么它的误识别率如下表所示⁴。

2.3.3 使用布隆过滤器

Google 的 Guava 库提供了使用布隆过滤器的 API 类（BloomFilter.class），它是线程安全的。

首先创建布隆过滤器：

//创建存储整型的布隆过滤器
bloomFilter =
        BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), expectedInsertions, fpp);

创建布隆过滤器的方法有以下几个入参：

入参 说明 Funnels 实例 用于后续把类对象转换为相应的 hash 值。 expectedInsertions 期望插入过滤器的元素个数。 fpp 误识别率，该值必须大于 0 且小于 1.0。

Funnel 类定义了如何把一个具体的对象类型分解为原生字段值，从而将值分解为 Byte 以供后面 BloomFilter 进行 hash 运算⁵。也就是说 Guava 的布隆过滤器会根据Funnel 类的定义，计算一个对象的哈希值，放入过滤器。

Guava 官方提供了这样一个创建可插入自定义类的布隆过滤器示例。

首先创建一个 Person 类：

@Data
@AllArgsConstructor
public class Person {
    private String firstName;
    private String lastName;
    private int age;
}

然后创建一个 PersonFunnel 类，它实现了 Funnel 类中的 funnel(Person from, PrimitiveSink into) 方法：

public class PersonFunnel implements Funnel<Person> {

    @Override
    public void funnel(Person from, PrimitiveSink into) {
        into.putUnencodedChars(from.getFirstName()).putUnencodedChars(from.getLastName()).putInt(from.getAge());
    }
}

这个方法主要是把 Person 类中的各个属性（名字、年龄）写入 PrimitiveSink 对象。 PrimitiveSink 提供了支持各种写入类型的方法：

接着把元素放入布隆过滤器：

bloomFilter.put(new Person("deniro","lee",20));
bloomFilter.put(new Person("lily","lee",16));

最后就是判断某个元素是否在布隆过滤器中：

Assert.assertFalse(bloomFilter.mightContain(new Person("jack","lee",20)));
Assert.assertTrue(bloomFilter.mightContain(new Person("deniro","lee",20)));

Funnels 是个工具类，内置了一些创建基本类型的 Funnel：

我们可以利用这些 Funnel，来创建包含基本类型元素的布隆过滤器，比如创建一个包含整型元素的布隆过滤器：

 BloomFilter<Integer> bloomFilter =
            BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size, fpp);

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最后，让我们总结一波。

可以看到接口校验方法与 Guava 版的布隆过滤器方法都是在客户侧进行处理。布隆过滤器也可以在缓存层进行处理。相对来说，布隆过滤器方法比接口校验方法少了很多代码量与维护成本。缓存空值不可取，毕竟内存空间是有限的。

利用布隆过滤器，我们可以拦截绝大多数不存在的 key，因此很适合解决 Redis 缓存穿透问题。

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参考资料：

1. 缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩解决方案
2. 布隆过滤器
3. 大数据量下的集合过滤—Bloom Filter
4. 吴军. 数学之美.第2版[M]. 人民邮电出版社, 2014. p208-209.
5. 结合Guava源码解读布隆过滤器