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缓存热点key问题(mutex key)
一、引出热点key问题
我们通常使用 缓存 + 过期时间的策略来帮助我们加速接口的访问速度，减少了后端负载，同时保证功能的更新，一般情况下这种模式已经基本满足要求了。
但是有两个问题如果同时出现，可能就会对系统造成致命的危害：
(1) 这个key是一个热点key（例如一个重要的新闻，一个热门的八卦新闻等等），所以这种key访问量可能非常大。
(2) 缓存的构建是需要一定时间的。（可能是一个复杂计算，例如复杂的sql、多次IO、多个依赖(各种接口)等等）
于是就会出现一个致命问题：在缓存失效的瞬间，有大量线程来构建缓存（见下图），造成后端负载加大，甚至可能会让系统崩溃 。
二、四种解决方案
我们的目标是：尽量少的线程构建缓存(甚至是一个) + 数据一致性 + 较少的潜在危险，下面会介绍四种方法来解决这个问题：
1. 使用互斥锁(mutex key): 这种解决方案思路比较简单，就是只让一个线程构建缓存，其他线程等待构建缓存的线程执行完，重新从缓存获取数据就可以了（如下图）下载
如果是单机，可以用synchronized或者lock来处理，如果是分布式环境可以用分布式锁就可以了（分布式锁，可以用memcache的add, redis的setnx, zookeeper的添加节点操作）。
下面是Tim yang博客的代码，是memcache的伪代码实现下载
Java代码
if (memcache.get(key) == null) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
value = db.get(key);
memcache.set(key, value);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
}
如果换成redis，就是：
Java代码 下载
String get(String key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) {
if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(key_mutex, 3 * 60)
value = db.get(key);
redis.set(key, value);
redis.delete(key_mutex);
} else {
//其他线程休息50毫秒后重试
Thread.sleep(50);
get(key);
}
}
}
2. "提前"使用互斥锁(mutex key)：
在value内部设置1个超时值(timeout1), timeout1比实际的memcache timeout(timeout2)小。当从cache读取到timeout1发现它已经过期时候，马上延长timeout1并重新设置到cache。然后再从数据库加载数据并设置到cache中。伪代码如下：
Java代码 下载
v = memcache.get(key);
if (v == null) {
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
value = db.get(key);
memcache.set(key, value);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
} else {
if (v.timeout <= now()) {
if (memcache.add(key_mutex, 3 * 60 * 1000) == true) {
// extend the timeout for other threads
v.timeout += 3 * 60 * 1000;
memcache.set(key, v, KEY_TIMEOUT * 2);
// load the latest value from db
v = db.get(key);
v.timeout = KEY_TIMEOUT;
memcache.set(key, value, KEY_TIMEOUT * 2);
memcache.delete(key_mutex);
} else {
sleep(50);
retry();
}
}
}
3. "永远不过期"：
这里的“永远不过期”包含两层意思：
(1) 从redis上看，确实没有设置过期时间，这就保证了，不会出现热点key过期问题，也就是“物理”不过期。
(2) 从功能上看，如果不过期，那不就成静态的了吗？所以我们把过期时间存在key对应的value里，如果发现要过期了，通过一个后台的异步线程进行缓存的构建，也就是“逻辑”过期下载
从实战看，这种方法对于性能非常友好，唯一不足的就是构建缓存时候，其余线程(非构建缓存的线程)可能访问的是老数据，但是对于一般的互联网功能来说这个还是可以忍受。
Java代码 下载
String get(final String key) {
V v = redis.get(key);
String value = v.getValue();
long timeout = v.getTimeout();
if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
// 异步更新后台异常执行
threadPool.execute(new Runnable() {
public void run() {
String keyMutex = "mutex:" + key;
if (redis.setnx(keyMutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(keyMutex, 3 * 60);
String dbValue = db.get(key);
redis.set(key, dbValue);
redis.delete(keyMutex);
}
}
});
}
return value;
}
4. 资源保护：
可以做资源的隔离保护主线程池，如果把这个应用到缓存的构建也未尝不可。下载
三、四种方案对比：
作为一个并发量较大的互联网应用，我们的目标有3个:
1. 加快用户访问速度，提高用户体验。
2. 降低后端负载，保证系统平稳。下载
3. 保证数据“尽可能”及时更新(要不要完全一致，取决于业务，而不是技术。)
所以第二节中提到的四种方法，可以做如下比较，还是那就话：没有最好，只有最合适。
| 解决方案 | 优点 | 缺点 |
| 简单分布式锁(Tim yang) | 1. 思路简单 2. 保证一致性 | 1. 代码复杂度增大 2. 存在死锁的风险 3. 存在线程池阻塞的风险 |
| 加另外一个过期时间(Tim yang) | 1. 保证一致性 | 同上 |
| 不过期(本文) | 1. 异步构建缓存，不会阻塞线程池 | 1. 不保证一致性。 2. 代码复杂度增大(每个value都要维护一个timekey)。 3. 占用一定的内存空间(每个value都要维护一个timekey)。 |
| 资源隔离组件hystrix(本文) | 1. hystrix技术成熟，有效保证后端。 2. hystrix监控强大。
| 1. 部分访问存在降级策略。 |
四、总结
1. 热点key + 过期时间 + 复杂的构建缓存过程 => mutex key问题
2. 构建缓存一个线程做就可以了。
3. 四种解决方案：没有最佳只有最合适。
缓存热点key问题(mutex key)