Redis与DB的数据一致性解决方案(史上最全)

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前言

美团面试题:Redis与MySQL双写一致性如何保证?

这道题其实就是在问缓存和数据库在双写场景下,一致性是如何保证的?

本文将非常全面的,跟大家一起来探讨如何回答这个问题。

阅读指南:

指南1:

本文的行文次序,首先介绍集中式缓存的缓存模式和数据一致性,然后介绍 二级缓存的架构和数据一致性,最后介绍 三级缓存的架构和数据一致性

指南2:

不吹牛,本文在全网数据一致性的所有博文中,绝对算是史上最全的。

本文最为全面的介绍了 redis 与 db 双写数据一致性解决方案,

当然, 会参考了最新的一些文章, 但是解决那些 复制来复制去的bug,

另外,本文增加了 L2 、L3 多级缓存的一致性问题

总之

本文非常经典,绝对的高分面试必备, 建议边学习、边思考,并且一定要实战

  • 如果有问题,欢迎来疯狂创客圈找尼恩和18罗汉门一起交流
  • 本文后续也会不断升级迭代,持续保持史上最全位置。

预备知识: 谈谈一致性

在这里插入图片描述

一致性就是数据保持一致,在分布式系统中,可以理解为多个节点中数据的值是一致的。

  • 强一致性:这种一致性级别是最符合用户直觉的,它要求系统写入什么,读出来的也会是什么,用户体验好,但实现起来往往对系统的性能影响大
  • 弱一致性:这种一致性级别约束了系统在写入成功后,不承诺立即可以读到写入的值,也不承诺多久之后数据能够达到一致,但会尽可能地保证到某个时间级别(比如秒级别)后,数据能够达到一致状态
  • 最终一致性:最终一致性是弱一致性的一个特例,系统会保证在一定时间内,能够达到一个数据一致的状态。这里之所以将最终一致性单独提出来,是因为它是弱一致性中非常推崇的一种一致性模型,也是业界在大型分布式系统的数据一致性上比较推崇的模型

集中式redis缓存的三个经典的缓存模式

缓存可以提升性能、缓解数据库压力,但是使用缓存也会导致数据不一致性的问题。一般我们是如何使用缓存呢?有三种经典的缓存模式:

  • Cache-Aside Pattern
  • Read-Through/Write through
  • Write behind

Cache-Aside Pattern

Cache-Aside Pattern,即旁路缓存模式,它的提出是为了尽可能地解决缓存与数据库的数据不一致问题。

Cache-Aside的读流程

Cache-Aside Pattern的读请求流程如下:

在这里插入图片描述

读的时候,先读缓存,缓存命中的话,直接返回数据;

缓存没有命中的话,就去读数据库,从数据库取出数据,放入缓存后,同时返回响应。

Cache-Aside 写流程

Cache-Aside Pattern的写请求流程如下:

在这里插入图片描述

更新的时候,先更新数据库,然后再删除缓存。

Read-Through/Write-Through(读写穿透)

Read/Write Through模式中,服务端把缓存作为主要数据存储。应用程序跟数据库缓存交互,都是通过抽象缓存层完成的。

Read-Through读流程

Read-Through的简要读流程如下
在这里插入图片描述

从缓存读取数据,读到直接返回
如果读取不到的话,从数据库加载,写入缓存后,再返回响应。

这个简要流程是不是跟Cache-Aside很像呢?

其实Read-Through就是多了一层Cache-Provider,流程如下:

在这里插入图片描述

Read-Through的优点

Read-Through实际只是在Cache-Aside之上进行了一层封装,它会让程序代码变得更简洁,同时也减少数据源上的负载。

Write-Through写流程

Write-Through模式下,当发生写请求时,也是由缓存抽象层完成数据源和缓存数据的更新,流程如下:

在这里插入图片描述

Write behind (异步缓存写入)

Write behind跟Read-Through/Write-Through有相似的地方,都是由Cache Provider来负责缓存和数据库的读写。它两又有个很大的不同:Read/Write Through是同步更新缓存和数据的,Write Behind则是只更新缓存,不直接更新数据库,通过批量异步的方式来更新数据库。

加粗样式

这种方式下,缓存和数据库的一致性不强,对一致性要求高的系统要谨慎使用。

但是它适合频繁写的场景,MySQL的InnoDB Buffer Pool机制就使用到这种模式。

三种模式的比较

Cache Aside 更新模式实现起来比较简单,但是需要维护两个数据存储:

  • 一个是缓存(Cache)
  • 一个是数据库(Repository)。

Read/Write Through 的写模式需要维护一个数据存储(缓存),实现起来要复杂一些。

Write Behind Caching 更新模式和Read/Write Through 更新模式类似,区别是Write Behind Caching 更新模式的数据持久化操作是异步的,但是Read/Write Through 更新模式的数据持久化操作是同步的

Write Behind Caching 的优点是直接操作内存速度快,多次操作可以合并持久化到数据库。缺点是数据可能会丢失,例如系统断电等。

Cache-Aside的问题

更新数据的时候,Cache-Aside是删除缓存呢,还是应该更新缓存?

有些小伙伴可能会问, Cache-Aside在写入请求的时候,为什么是删除缓存而不是更新缓存呢?

在这里插入图片描述

我们在操作缓存的时候,到底应该删除缓存还是更新缓存呢?我们先来看个例子:
在这里插入图片描述

操作的次序如下:

线程A先发起一个写操作,第一步先更新数据库
线程B再发起一个写操作,第二步更新了数据库

现在,由于网络等原因,线程B先更新了缓存, 线程A更新缓存。

这时候,缓存保存的是A的数据(老数据),数据库保存的是B的数据(新数据),数据不一致了,脏数据出现啦。如果是删除缓存取代更新缓存则不会出现这个脏数据问题。

更新缓存相对于删除缓存,还有两点劣势:

1 如果你写入的缓存值,是经过复杂计算才得到的话。 更新缓存频率高的话,就浪费性能啦。

2 在写多读少的情况下,数据很多时候还没被读取到,又被更新了,这也浪费了性能呢(实际上,写多的场景,用缓存也不是很划算了)

任何的措施,也不是绝对的好, 只有分场景看是不是适合,更新缓存的措施,也是有用的:

在读多写少的场景,价值大。

双写的情况下,先操作数据库还是先操作缓存?

美团二面:Redis与MySQL双写一致性如何保证?

Cache-Aside缓存模式中,有些小伙伴还是有疑问,在写入请求的时候,为什么是先操作数据库呢?为什么不先操作缓存呢?
假设有A、B两个请求,请求A做更新操作,请求B做查询读取操作。
在这里插入图片描述

A、B两个请求的操作流程如下:

  1. 线程A发起一个写操作,第一步del cache
  2. 此时线程B发起一个读操作,cache miss
  3. 线程B继续读DB,读出来一个老数据
  4. 然后线程B把老数据设置入cache
  5. 线程A写入DB最新的数据

酱紫就有问题啦,缓存和数据库的数据不一致了。

缓存保存的是老数据,数据库保存的是新数据。因此,Cache-Aside缓存模式,选择了先操作数据库而不是先操作缓存。

redis分布式缓存与数据库的数据一致性

重要:缓存是通过牺牲强一致性来提高性能的

这是由CAP理论决定的。缓存系统适用的场景就是非强一致性的场景,它属于CAP中的AP。

强一致性还是弱一致性

CAP理论,指的是在一个分布式系统中, Consistency(一致性)、 Availability(可用性)、Partition tolerance(分区容错性),三者不可得兼。

CAP理论作为分布式系统的基础理论,它描述的是一个分布式系统在以下三个特性中:

  • 一致性(Consistency)
  • 可用性(Availability)
  • 分区容错性(Partition tolerance)

最多满足其中的两个特性。也就是下图所描述的。分布式系统要么满足CA,要么CP,要么AP。无法同时满足CAP。

        img

I. 什么是 一致性、可用性和分区容错性

分区容错性:指的分布式系统中的某个节点或者网络分区出现了故障的时候,整个系统仍然能对外提供满足一致性和可用性的服务。也就是说部分故障不影响整体使用。

事实上我们在设计分布式系统是都会考虑到bug,硬件,网络等各种原因造成的故障,所以即使部分节点或者网络出现故障,我们要求整个系统还是要继续使用的

(不继续使用,相当于只有一个分区,那么也就没有后续的一致性和可用性了)

可用性: 一直可以正常的做读写操作。简单而言就是客户端一直可以正常访问并得到系统的正常响应。用户角度来看就是不会出现系统操作失败或者访问超时等问题。

一致性:在分布式系统完成某写操作后任何读操作,都应该获取到该写操作写入的那个最新的值。相当于要求分布式系统中的各节点时时刻刻保持数据的一致性。

所以,如果需要数据库和缓存数据保持强一致,就不适合使用缓存。

所以使用缓存提升性能,就是会有数据更新的延迟。这需要我们在设计时结合业务仔细思考是否适合用缓存。然后缓存一定要设置过期时间,这个时间太短、或者太长都不好:

  • 太短的话请求可能会比较多的落到数据库上,这也意味着失去了缓存的优势。
  • 太长的话缓存中的脏数据会使系统长时间处于一个延迟的状态,而且系统中长时间没有人访问的数据一直存在内存中不过期,浪费内存。

但是,通过一些方案优化处理,是可以保证弱一致性,最终一致性的。

3种方案保证数据库与缓存的一致性

3种方案保证数据库与缓存的一致性

  • 延时双删策略
  • 删除缓存重试机制
  • 读取biglog异步删除缓存

缓存延时双删

有些小伙伴可能会说,不一定要先操作数据库呀,采用缓存延时双删策略就好啦?

什么是延时双删呢?

延时双删的步骤:

1 先删除缓存
2 再更新数据库
3 休眠一会(比如1秒),再次删除缓存。

在这里插入图片描述

参考代码如下:

在这里插入图片描述

这个休眠一会,一般多久呢?都是1秒?

这个休眠时间 = 读业务逻辑数据的耗时 + 几百毫秒。

为了确保读请求结束,写请求可以删除读请求可能带来的缓存脏数据。

删除缓存重试机制

不管是延时双删还是Cache-Aside的先操作数据库再删除缓存,如果第二步的删除缓存失败呢?

删除失败会导致脏数据哦~

删除失败就多删除几次呀,保证删除缓存成功呀~ 所以可以引入删除缓存重试机制

在这里插入图片描述

删除缓存重试机制的大致步骤:

  • 写请求更新数据库

  • 缓存因为某些原因,删除失败

  • 把删除失败的key放到消息队列

  • 消费消息队列的消息,获取要删除的key

  • 重试删除缓存操作

同步biglog异步删除缓存

重试删除缓存机制还可以,就是会造成好多业务代码入侵。

其实,还可以通过数据库的binlog来异步淘汰key。

在这里插入图片描述

以mysql为例 可以使用阿里的canal将binlog日志采集发送到MQ队列里面,然后编写一个简单的缓存删除消息者订阅binlog日志,根据更新log删除缓存,并且通过ACK机制确认处理这条更新log,保证数据缓存一致性

如何确保消费成功

PushConsumer为了保证消息肯定消费成功,只有使用方明确表示消费成功,RocketMQ才会认为消息消费成功。中途断电,抛出异常等都不会认为成功——即都会重新投递。首先,消费的时候,我们需要注入一个消费回调,具体sample代码如下:

consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() {
@Override
public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt> msgs, ConsumeConcurrentlyContext context) {
	System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Receive New Messages: " + msgs);
	delcache(key);//执行真正删除
	return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;//返回消费成功
 }
});

业务实现消费回调的时候,当且仅当此回调函数返回ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS,RocketMQ才会认为这批消息(默认是1条)是消费完成的。

如果这时候消息消费失败,例如数据库异常,余额不足扣款失败等一切业务认为消息需要重试的场景,只要返回ConsumeConcurrentlyStatus.RECONSUME_LATER,RocketMQ就会认为这批消息消费失败了。

为了保证消息是肯定被至少消费成功一次,RocketMQ会把这批消费失败的消息重发回Broker(topic不是原topic而是这个消费租的RETRY topic),在延迟的某个时间点(默认是10秒,业务可设置)后,再次投递到这个ConsumerGroup。而如果一直这样重复消费都持续失败到一定次数(默认16次),就会投递到DLQ死信队列。应用可以监控死信队列来做人工干预。

pub/sub的订阅实现

Pub/Sub功能(means Publish, Subscribe)即发布及订阅功能。Pub/Sub是目前广泛使用的通信模型,它采用事件作为基本的通信机制,提供大规模系统所要求的松散耦合的交互模式:订阅者(如客户端)以事件订阅的方式表达出它有兴趣接收的一个事件或一类事件;发布者(如服务器)可将订阅者感兴趣的事件随时通知相关订阅者。熟悉设计模式的朋友应该了解这与23种设计模式中的观察者模式极为相似。

Redis 的 pub/sub订阅实现

Redis通过publish和subscribe命令实现订阅和发布的功能。订阅者可以通过subscribe向redis server订阅自己感兴趣的消息类型。redis将信息类型称为通道(channel)。当发布者通过publish命令向redis server发送特定类型的信息时,订阅该消息类型的全部订阅者都会收到此消息。

主从数据库通过biglog异步删除

但是呢还有个问题, 「如果是主从数据库呢」

因为主从DB同步存在延时时间。如果删除缓存之后,数据同步到备库之前已经有请求过来时, 「会从备库中读到脏数据」,如何解决呢?解决方案如下流程图:

在这里插入图片描述

缓存与数据的一致性的保障策略总结

综上所述,在分布式系统中,缓存和数据库同时存在时,如果有写操作的时候,「先操作数据库,再操作缓存」。如下:

1.读取缓存中是否有相关数据
2.如果缓存中有相关数据value,则返回
3.如果缓存中没有相关数据,则从数据库读取相关数据放入缓存中key->value,再返回
4.如果有更新数据,则先更新数据库,再删除缓存
5.为了保证第四步删除缓存成功,使用binlog异步删除
6.如果是主从数据库,binglog取自于从库
7.如果是一主多从,每个从库都要采集binlog,然后消费端收到最后一台binlog数据才删除缓存,或者为了简单,收到一次更新log,删除一次缓存

实战:Canal+RocketMQ同步MySQL到Redis/ES

在很多业务情况下,我们都会在系统中加入redis缓存做查询优化, 使用es 做全文检索。

如果数据库数据发生更新,这时候就需要在业务代码中写一段同步更新redis的代码。这种数据同步的代码跟业务代码糅合在一起会不太优雅,能不能把这些数据同步的代码抽出来形成一个独立的模块呢,答案是可以的。

biglog同步保障数据一致性的架构

在这里插入图片描述

技术栈

如果你还对SpringBootcanalRocketMQMySQLElasticSearch 不是很了解的话,这里我为大家整理个它们的官网网站,如下

这里主要介绍一下canal,其他的自行学习。

canal工作原理

canal [kə’næl],译意为水道/管道/沟渠,主要用途是基于 MySQL 数据库增量日志解析,提供增量数据订阅和消费.。

canal工作原理

canal是一个伪装成slave订阅mysql的binlog,实现数据同步的中间件。

在这里插入图片描述

  • canal 模拟 MySQL slave 的交互协议,伪装自己为 MySQL slave ,向 MySQL master 发送 dump 协议
  • MySQL master 收到 dump 请求,开始推送 binary log 给 slave (即 canal )
  • canal 解析 binary log 对象(原始为 byte 流)
canal架构

在这里插入图片描述
说明:

  • server代表一个canal运行实例,对应于一个jvm
  • instance对应于一个数据队列 (1个server对应1…n个instance)

instance模块:

  • eventParser (数据源接入,模拟db的slave协议和master进行交互,协议解析)
  • eventSink (Parser和Store链接器,进行数据过滤,加工,分发的工作)
  • eventStore (数据存储)
  • metaManager (增量订阅&消费信息管理器)

到这里我们对canal有了一个初步的认识,接下我们就进入实战环节。

3.环境准备

3.1 MySQL 配置

对于自建 MySQL , 需要先开启 Binlog写入功能,配置binlog-formatROW 模式,my.cnf 中配置如下

[mysqld]
log-bin=mysql-bin # 开启 binlog
binlog-format=ROW # 选择 ROW 模式
server_id=1 # 配置 MySQL replaction 需要定义,不要和 canal 的 slaveId 重复

**

注意:**针对阿里云 RDS for MySQL , 默认打开了 binlog , 并且账号默认具有 binlog dump 权限 , 不需要任何权限或者 binlog 设置,可以直接跳过这一步

授权canal 连接 MySQL 账号具有作为 MySQL slave的权限, 如果已有账户可直接 使用grant 命令授权。

#创建用户名和密码都为canal
CREATE USER canal IDENTIFIED BY 'canal';  
GRANT SELECT, REPLICATION SLAVE, REPLICATION CLIENT ON *.* TO 'canal'@'%';
FLUSH PRIVILEGES;

3.2 canal的安装和配置

3.2 .1canal.admin安装和配置

canal提供web ui 进行Server管理、Instance管理。

下载 canal.admin, 访问 release 页面 , 选择需要的包下载, 如以 1.1.4版本为例
wget https://github.com/alibaba/canal/releases/download/canal-1.1.4/canal.admin-1.1.4.tar.gz

在这里插入图片描述

解压完成可以看到如下结构:

在这里插入图片描述

我们先配置canal.admin之后。通过web ui来配置 cancal server,这样使用界面操作非常的方便。

配置修改
vi conf/application.yml
server:
  port: 8089
spring:
  jackson:
    date-format: yyyy-MM-dd HH:mm:ss
    time-zone: GMT+8

spring.datasource:
  address: 127.0.0.1:3306
  database: canal_manager
  username: canal
  password: canal
  driver-class-name: com.mysql.jdbc.Driver
  url: jdbc:mysql://${spring.datasource.address}/${spring.datasource.database}?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&useSSL=false
  hikari:
    maximum-pool-size: 30
    minimum-idle: 1

canal:
  adminUser: admin
  adminPasswd: admin
初始化元数据库

初始化元数据库

mysql -h127.0.0.1 -uroot -p

# 导入初始化SQL
> source conf/canal_manager.sql
  • 初始化SQL脚本里会默认创建canal_manager的数据库,建议使用root等有超级权限的账号进行初始化
  • canal_manager.sql默认会在conf目录下,也可以通过链接下载 canal_manager.sql
启动
sh bin/startup.sh
启动成功,使用浏览器输入http://ip:8089/ 会跳转到登录界面

在这里插入图片描述

使用用户名:admin 密码为:123456 登录
登录成功,会自动跳转到如下界面。这时候我们的canal.admin就搭建成功了。

在这里插入图片描述

3.2.2 canal.deployer部署和启动

下载 canal.deployer, 访问 release 页面 , 选择需要的包下载, 如以 1.1.4版本为例

wget https://github.com/alibaba/canal/releases/download/canal-1.1.4/canal.deployer-1.1.4.tar.gz

在这里插入图片描述

解压完成可以看到如下结构:

在这里插入图片描述

进入conf 目录。可以看到如下的配置文件。

在这里插入图片描述

我们先对canal.properties 不做任何修改。

使用canal_local.properties的配置覆盖canal.properties

# register ip
canal.register.ip =

# canal admin config
canal.admin.manager = 127.0.0.1:8089
canal.admin.port = 11110
canal.admin.user = admin
canal.admin.passwd = 4ACFE3202A5FF5CF467898FC58AAB1D615029441

# admin auto register
canal.admin.register.auto = true
canal.admin.register.cluster =

使用如下命令启动canal server

sh bin/startup.sh local

启动成功。同时我们在canal.admin web ui中刷新 server 管理,可以到canal server 已经启动成功。

在这里插入图片描述

这时候我们的canal.server 搭建已经成功。

3.2.3在canal admin ui 中配置Instance管理

新建 Instance

选择Instance 管理-> 新建Instance
填写 Instance名称:cms_article

大概的步骤
  • 选择 选择所属主机集群
  • 选择 载入模板
  • 修改默认信息
#mysql serverId
canal.instance.mysql.slaveId = 1234
#position info,需要改成自己的数据库信息
canal.instance.master.address = 127.0.0.1:3306 
canal.instance.master.journal.name = 
canal.instance.master.position = 
canal.instance.master.timestamp = 
#canal.instance.standby.address = 
#canal.instance.standby.journal.name =
#canal.instance.standby.position = 
#canal.instance.standby.timestamp = 
#username/password,需要改成自己的数据库信息
canal.instance.dbUsername = canal  
canal.instance.dbPassword = canal
#改成自己的数据库信息(需要监听的数据库)
canal.instance.defaultDatabaseName = cms-manage
canal.instance.connectionCharset = UTF-8
#table regex 需要过滤的表 这里数据库的中所有表
canal.instance.filter.regex = .\*\\..\*

# MQ 配置 日志数据会发送到cms_article这个topic上
canal.mq.topic=cms_article
# dynamic topic route by schema or table regex
#canal.mq.dynamicTopic=mytest1.user,mytest2\\..*,.*\\..*
#单分区处理消息
canal.mq.partition=0

我们这里为了演示之创建一张表。
在这里插入图片描述

配置好之后,我需要点击保存。此时在Instances 管理中就可以看到此时的实例信息。
在这里插入图片描述

3.2.4 修改canal server 的配置文件,选择消息队列处理binlog

canal 1.1.1版本之后, 默认支持将canal server接收到的binlog数据直接投递到MQ, 目前默认支持的MQ系统有:

本案例以RocketMQ为例

我们仍然使用web ui 界面操作。点击 server 管理 - > 点击配置
在这里插入图片描述
修改配置文件

# ...
# 可选项: tcp(默认), kafka, RocketMQ
canal.serverMode = RocketMQ
# ...
# kafka/rocketmq 集群配置: 192.168.1.117:9092,192.168.1.118:9092,192.168.1.119:9092 
canal.mq.servers = 192.168.0.200:9078
canal.mq.retries = 0
# flagMessage模式下可以调大该值, 但不要超过MQ消息体大小上限
canal.mq.batchSize = 16384
canal.mq.maxRequestSize = 1048576
# flatMessage模式下请将该值改大, 建议50-200
canal.mq.lingerMs = 1
canal.mq.bufferMemory = 33554432
# Canal的batch size, 默认50K, 由于kafka最大消息体限制请勿超过1M(900K以下)
canal.mq.canalBatchSize = 50
# Canal get数据的超时时间, 单位: 毫秒, 空为不限超时
canal.mq.canalGetTimeout = 100
# 是否为flat json格式对象
canal.mq.flatMessage = false
canal.mq.compressionType = none
canal.mq.acks = all
# kafka消息投递是否使用事务
canal.mq.transaction = false

修改好之后保存。会自动重启。

此时我们就可以在rocketmq的控制台看到一个cms_article topic已经自动创建了。

在这里插入图片描述

4 更新Redis的MQ消息者开发

4.1 引入依赖

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.otter</groupId>
    <artifactId>canal.client</artifactId>
    <version>1.1.4</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.apache.rocketmq</groupId>
    <artifactId>rocketmq-spring-boot-starter</artifactId>
    <version>2.0.2</version>
</dependency>

<!-- 根据个人需要依赖 -->
<dependency>
    <groupId>javax.persistence</groupId>
    <artifactId>persistence-api</artifactId>
</dependency>

4.2 canal消息的通用解析代码

package com.crazymaker.springcloud.stock.consumer;

import com.alibaba.otter.canal.protocol.FlatMessage;
import com.crazymaker.springcloud.common.exception.BusinessException;
import com.crazymaker.springcloud.common.util.JsonUtil;
import com.crazymaker.springcloud.standard.redis.RedisRepository;
import com.google.common.collect.Sets;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnection;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializer;
import org.springframework.util.ReflectionUtils;

import javax.annotation.Resource;
import javax.persistence.Id;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.util.Collection;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;


/**
 * 抽象CanalMQ通用处理服务
 **/

@Slf4j
public abstract class AbstractCanalMQ2RedisService<T> implements CanalSynService<T> {

    @Resource
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;

    @Resource
    RedisRepository redisRepository;


    private Class<T> classCache;

    /**
     * 获取Model名称
     *
     * @return Model名称
     */
    protected abstract String getModelName();

    @Override
    public void process(FlatMessage flatMessage) {

        if (flatMessage.getIsDdl()) {
            ddl(flatMessage);
            return;
        }

        Set<T> data = getData(flatMessage);

        if (SQLType.INSERT.equals(flatMessage.getType())) {
            insert(data);
        }

        if (SQLType.UPDATE.equals(flatMessage.getType())) {
            update(data);
        }

        if (SQLType.DELETE.equals(flatMessage.getType())) {
            delete(data);
        }

    }

    @Override
    public void ddl(FlatMessage flatMessage) {
        //TODO : DDL需要同步,删库清空,更新字段处理

    }

    @Override
    public void insert(Collection<T> list) {
        insertOrUpdate(list);
    }

    @Override
    public void update(Collection<T> list) {
        insertOrUpdate(list);
    }

    private void insertOrUpdate(Collection<T> list) {
        redisTemplate.executePipelined((RedisConnection redisConnection) -> {
            for (T data : list) {
                String key = getWrapRedisKey(data);
                RedisSerializer keySerializer = redisTemplate.getKeySerializer();
                RedisSerializer valueSerializer = redisTemplate.getValueSerializer();
                redisConnection.set(keySerializer.serialize(key), valueSerializer.serialize(data));
            }
            return null;
        });
    }

    @Override
    public void delete(Collection<T> list) {

        Set<String> keys = Sets.newHashSetWithExpectedSize(list.size());

        for (T data : list) {
            keys.add(getWrapRedisKey(data));
        }

        //Set<String> keys = list.stream().map(this::getWrapRedisKey).collect(Collectors.toSet());
        redisRepository.delAll(keys);
    }

    /**
     * 封装redis的key
     *
     * @param t 原对象
     * @return key
     */
    protected String getWrapRedisKey(T t) {
//        return new StringBuilder()
//                .append(ApplicationContextHolder.getApplicationName())
//                .append(":")
//                .append(getModelName())
//                .append(":")
//                .append(getIdValue(t))
//                .toString();

        throw new IllegalStateException(
                "基类 方法 'getWrapRedisKey' 尚未实现!");
    }

    /**
     * 获取类泛型
     *
     * @return 泛型Class
     */
    protected Class<T> getTypeArguement() {
        if (classCache == null) {
            classCache = (Class) ((ParameterizedType) this.getClass().getGenericSuperclass()).getActualTypeArguments()[0];
        }
        return classCache;
    }

    /**
     * 获取Object标有@Id注解的字段值
     *
     * @param t 对象
     * @return id值
     */
    protected Object getIdValue(T t) {
        Field fieldOfId = getIdField();
        ReflectionUtils.makeAccessible(fieldOfId);
        return ReflectionUtils.getField(fieldOfId, t);
    }

    /**
     * 获取Class标有@Id注解的字段名称
     *
     * @return id字段名称
     */
    protected Field getIdField() {

        Class<T> clz = getTypeArguement();
        Field[] fields = clz.getDeclaredFields();
        for (Field field : fields) {
            Id annotation = field.getAnnotation(Id.class);

            if (annotation != null) {
                return field;
            }
        }

        log.error("PO类未设置@Id注解");
        throw new BusinessException("PO类未设置@Id注解");
    }

    /**
     * 转换Canal的FlatMessage中data成泛型对象
     *
     * @param flatMessage Canal发送MQ信息
     * @return 泛型对象集合
     */
    protected Set<T> getData(FlatMessage flatMessage) {
        List<Map<String, String>> sourceData = flatMessage.getData();
        Set<T> targetData = Sets.newHashSetWithExpectedSize(sourceData.size());
        for (Map<String, String> map : sourceData) {
            T t = JsonUtil.mapToPojo(map, getTypeArguement());
            targetData.add(t);
        }
        return targetData;
    }

}

4.3 canal消息的订阅代码

rocketMQ是支持广播消费的,只需要在消费端进行配置即可,默认情况下使用的是集群消费,这就意味着如果我们配置了多个消费者实例,只会有一个实例消费消息。

对于更新Redis来说,一个实例消费消息,完成redis的更新,这就够了。

package com.crazymaker.springcloud.stock.consumer;

import com.alibaba.otter.canal.protocol.FlatMessage;
import com.crazymaker.springcloud.seckill.dao.po.SeckillGoodPO;
import com.google.common.collect.Sets;
import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.rocketmq.spring.annotation.MessageModel;
import org.apache.rocketmq.spring.annotation.RocketMQMessageListener;
import org.apache.rocketmq.spring.core.RocketMQListener;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

@Slf4j
@Service
//广播模式
//@RocketMQMessageListener(topic = "seckillgood", consumerGroup = "UpdateRedis", messageModel = MessageModel.BROADCASTING)
//集群模式
@RocketMQMessageListener(topic = "seckillgood", consumerGroup = "UpdateRedis")
@Data
public class UpdateRedisGoodConsumer extends AbstractCanalMQ2RedisService<SeckillGoodPO> implements RocketMQListener<FlatMessage> {

    private String modelName = "seckillgood";

    @Override
    public void onMessage(FlatMessage s) {
        process(s);
    }

//    @Cacheable(cacheNames = {"seckill"}, key = "'seckillgood:' + #goodId")

    /**
     * 封装redis的key
     *
     * @param t 原对象
     * @return key
     */
    protected String getWrapRedisKey(SeckillGoodPO t) {
        return new StringBuilder()
//                .append(ApplicationContextHolder.getApplicationName())
                .append("seckill")
                .append(":")
//                .append(getModelName())
                .append("seckillgood")
                .append(":")
                .append(t.getId())
                .toString();

    }

    /**
     * 转换Canal的FlatMessage中data成泛型对象
     *
     * @param flatMessage Canal发送MQ信息
     * @return 泛型对象集合
     */
    protected Set<SeckillGoodPO> getData(FlatMessage flatMessage) {
        List<Map<String, String>> sourceData = flatMessage.getData();
        Set<SeckillGoodPO> targetData = Sets.newHashSetWithExpectedSize(sourceData.size());
        for (Map<String, String> map : sourceData) {
            SeckillGoodPO po = new SeckillGoodPO();
            po.setId(Long.valueOf(map.get("id")));
            //省略其他的属性
            targetData.add(po);
        }
        return targetData;
    }

}

2.3.2 注意事项

根据需要可以重写里面的方法,DDL处理暂时还没完成,只是整个Demo,完整的实战活儿,还是留给大家自己干吧。

尼恩的忠实建议:

  • 理论水平的提升,看看视频、看看书,只有两个字,就是需要:多看。

  • 实战水平的提升,只有两个字,就是需要:多干。

实战:基于binlog同步的缓存的数据一致性实战

基于binlog同步的缓存的数据一致性实战,非常重要,建议大家一定要干一票。

尼恩的忠实建议:

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回到面试题

美团面试题:Redis与MySQL双写一致性如何保证?

如果回答完了上面的内容,能够得到 100分的话,加上下面的回答内容,你就可以得到120分,让面试官有惊奇、惊喜的感觉了。

注意:让面试官有惊奇、惊喜的感觉之后,基本面试就很容易通过。

L2级缓存与数据库的数据一致性

集中式缓存需要考虑的问题

了解到了我们为什么要使用缓存,以及缓存能解决我们什么样的问题。但是使用缓存时也需要注意一些问题:

如果只是单纯的整合Redis缓存,那么可能出现如下的问题

  • 热点数据的大量访问,能对系统造成各种网络开销,影响系统的性能
  • 一旦集中式缓存发生雪崩了,或者缓存被击穿了,能造成数据库的压力增大,可能会被打死,造成数据库挂机状态,进而造成服务宕机
  • 缓存雪崩,访问全部打在数据库上,数据库也可能会被打死

为了解决以上可能出现的问题,让缓存层更稳定,健壮,我们使用二级缓存架构

  • 1级为本地缓存,或者进程内的缓存(如 Ehcache) —— 速度快,进程内可用

  • 2级为集中式缓存(如 Redis)—— 可同时为多节点提供服务

二级缓存架构图:

在这里插入图片描述

为什么要引入本地缓存

相对于IO操作 速度快,效率高 相对于Redis Redis是一种优秀的分布式缓存实现,受限于网卡等原因,远水救不了近火

所以:

DB + Redis + LocalCache = 高效存储,高效访问

本地缓存的适用场景

本地缓存一般适合于缓存只读、量少、高频率访问的数据。如秒杀商品数据。

或者每个部署节点独立的数据,如长连接服务中,每个部署节点由于都是维护了不同的连接,每个连接的数据都是独立的,并且随着连接的断开而删除。如果数据在集群的不同部署节点需要共享和保持一致,则需要使用分布式缓存来统一存储,实现应用集群的所有应用进程都在该统一的分布式缓存中进行数据存取即可。

本地缓存的优缺点

1. 访问速度快,但无法进行大数据存储
  • 本地缓存位于同一个JVM的堆中,相对于分布式缓存的好处是,故性能更好,减少了跨网络传输,

  • 但是本地缓存由于占用 JVM 内存空间 (或者进程的内存空间),故不能进行大数据量的数据存储。

2. 数据一致性问题

本地缓存只支持被该应用进程访问,一般无法被其他应用进程访问,如果对应的数据库数据,存在数据更新,则需要同步更新不同节点的本地缓存副本,来保证数据一致性

本地缓存的更新,复杂度较高并且容易出错,如基于 Redis 的发布订阅机制、或者消息队列MQ来同步更新各个部署节点。

数据库、本地缓存及分布式缓存的区别

数据库 本地缓存 分布式缓存
存储位置 存盘,数据不丢失 不存盘,之前的数据丢失 不存盘,数据丢失
持久化 可以 不可以 不可以
访问速度 最快
可扩展 可存在其他机器的硬盘 只能存在本机内存 可存在其他机器的内存
使用场景 需要实现持久化保存 需要快速访问,但需要考虑内存大小 1)需要快速访问,不需要考虑内存大小
2)需要实现持久化,但会丢失一些数据
3)需要让缓存集中在一起,访问任一机器上内存中的数据都可以从缓存中得到

本地缓存与集中式缓存的结合的需求场景

单独使用本地缓存与集中式缓存,都会有各自的短板。

  1. 使用本地缓存时,一旦应用重启后,由于缓存数据丢失,缓存雪崩,给数据库造成巨大压力,导致应用堵塞
  2. 使用本地缓存时,多个应用节点无法共享缓存数据
  3. 使用集中式缓存,由于大量的数据通过缓存获取,导致缓存服务的数据吞吐量太大,带宽跑满。现象就是 Redis 服务负载不高,但是由于机器网卡带宽跑满,导致数据读取非常慢

有这么一个网站,某个页面每天的访问量是 1000万,每个页面从缓存读取的数据是 50K。缓存数据存放在一个 Redis 服务,机器使用千兆网卡。那么这个 Redis 一天要承受 500G 的数据流,相当于平均每秒钟是 5.78M 的数据。而网站一般都会有高峰期和低峰期,两个时间流量的差异可能是百倍以上。我们假设高峰期每秒要承受的流量比平均值高 50 倍,也就是说高峰期 Redis 服务每秒要传输超过 250 兆的数据。请注意这个 250 兆的单位是 byte,而千兆网卡的单位是“bit” ,你懂了吗? 这已经远远超过 Redis 服务的网卡带宽。

所以如果你能发现这样的问题,一般你会这么做:

  1. 升级到万兆网卡 —— 这个有多麻烦,相信很多人知道,特别是一些云主机根本没有万兆网卡给你使用(有些运维工程师会给这样的建议)
  2. 多个 Redis 搭建集群,将流量分摊多多台机器上

如果你采用第2种方法来解决上述的场景中碰到的问题,那么你最好准备 5 个 Redis 服务来支撑。

在缓存服务这块成本直接攀升了 5 倍。你有钱当然没任何问题,但是结构就变得非常复杂了,而且可能你缓存的数据量其实不大,1000 万高频次的缓存读写 Redis 也能轻松应付,可是因为带宽的问题,你不得不付出 5 倍的成本。

按照80/20原则,如果我们把20%的热点数据,放在本地缓存,如果我们不用每次页面访问的时候都去 Redis 读取数据,那么 Redis 上的数据流量至少降低 80%的带宽流量,甚至于一个很小的 Redis 集群可以轻松应付。

本地缓存与集中式缓存的结合的使用案例

秒杀的商品数据

作为需要超高并发的访问数据,属于 20% 的热点数据

这属于提前预测静态热点数据类型。

亿级IM系统中用户路由数据

具体参参见疯狂创客圈的 亿级 IM中台实战

这属于提前预测静态热点数据类型。

通过流计算识别出来的热点数据

还有的是提前不能识别出来的,如电商系统中的热点商品那就完美了。

通过流计算识别出来的热点数据,能够动态地实时发现热点。

这属于实时预测动态热点数据类型。由于数据量大,可以通过流计算框架 storm 或者 fink 实现,

不够,此项工作,一般属于大数据团队的工作。

本地缓存与集中式缓存的2级缓存架构

第一级缓存使用内存(同时支持 Ehcache 2.x、Ehcache 3.x 、Guava、 Caffeine),第二级缓存使用 Redis(推荐)/Memcached

本地缓存与集中式缓存的结合架构,大致的架构图,如下:

在这里插入图片描述

L2级缓存的数据读取和更新

读取流程

在这里插入图片描述

数据更新

通过消息队列,或者其他广播模式的发布订阅,保持各个一级缓存的数据一致性。

这一点,与Cache-Aside模式不同,Cache-Aside只是删除缓存即可。但是热点数据,如果删除,很容易导致缓存击穿。

对于秒杀这样的场景,瞬间有十几万甚至上百万的请求要同时读取商品。如果没有缓存,每一个请求连带的数据操作都需要应用与数据库生成connection,而数据库的最大连接数是有限的,一旦超过数据库会直接宕机。这就是缓存击穿。

缓存击穿与 缓存穿透的简单区别:

  • 缓存击穿是指数据库中有数据,但是缓存中没有,大量的请求打到数据库;

  • 缓存穿透是指缓存和数据库中都没有的数据,而用户不断发起请求,如发起为id为“-1”的数据或id为特别大不存在的数据。这时的用户很可能是攻击者,攻击会导致数据库压力过大。

二级缓存缓存击穿解决方案:

  1. 设置热点数据永远不过期。
  2. 如果过期则或者在快过期之前更新,如有变化,主动刷新缓存数据,同时也能保障数据一致性
  3. 加互斥锁,保障缓存中的数据,被第一次请求回填。此方案不适用于超高并发场景

L2级缓存与数据库的数据一致性保障方案:

  • 方案1:biglog同步保障数据一致性

  • 方案2:使用程序方式发送更新消息,保障数据一致性

方案1:biglog同步保障数据一致性的架构:

方案1,可以通过biglog同步,来保障二级缓存的数据一致性,具体的架构如下

在这里插入图片描述

rocketMQ是支持广播消费的,只需要在消费端进行配置即可,rocketMQ默认情况下使用的是集群消费,这就意味着如果我们配置了多个消费者实例,只会有一个实例消费消息。

对于更新Redis来说,一个实例消费消息,完成redis的更新,这就够了。

对于更新Guava或者其他1级缓存来说,一个实例消费消息,是不够的,需要每一个实例都消息,所以,必须设置 rocketMQ 客户端的消费模式,为 广播模式;

@RocketMQMessageListener(topic = "seckillgood", consumerGroup = "UpdateGuava", messageModel = MessageModel.BROADCASTING)

方案2:使用程序方式保障数据一致性的架构

使用程序方式保障数据一致性的架构,可以编写一个通用的2级缓存通用组件,当数据更新的时候,去发送消息,具体的架构如下:

在这里插入图片描述

方案2和方案1 的区别

方案2和方案1 的整体区别不大,只不过 方案2 需要自己写代码(或者中间组件)发送数据的变化通知。

方案1 的一个优势:可以和 建立索引等其他的消费者,共用binlog的消息队列。

其他的区别,大家可以自行探索。

三级缓存与数据一致性

对于高并发的请求,接入层Nginx有着巨大的作用,能反向代理,负载均衡,动静分离以及和Lua整合,可以实现请求定向分发等非常有用的功能,同理Nginx层可以实现缓存的功能

可以利用接入层Nginx的进程内缓存,缓存极热数据的高并发访问,在接入层,当请求过来时,判断本地缓存中是否存在,如果存在着直接返回请求结果(或者展现静态资源的数据),这样的请求不会直接发送到后端服务层

为了解决以上可能出现的问题,让缓存层更稳定,健壮,我们引入三级缓存架构

  • 1级为本地缓存,或者进程内的缓存(如 Ehcache) —— 速度快,进程内可用
  • 2级为集中式缓存(如 Redis)—— 可同时为多节点提供服务
  • 3级为接入层Nginx本地缓存—— 速度快,进程内可用

三级缓存的架构

三级缓存架构 图: 具体如下图所示

在这里插入图片描述

使用Nginx Lua共享字典作为L3本地缓存

lua_shared_dict 指令介绍

原文: lua_shared_dict

syntax:lua_shared_dict <name> <size>
default: no
context: http
phase: depends on usage

声明一个共享内存区域 name,以充当基于 Lua 字典 ngx.shared.<name> 的共享存储。

lua_shared_dict 指令定义的共享内存总是被当前 Nginx 服务器实例中所有的 Nginx worker 进程所共享。

size 参数接受大小单位,如 k,m:

http {
    #指定缓存信息
  lua_shared_dict seckill_cache 128m;
    ...
}

详细参见: ngx.shared.DICT

Lua共享内存的使用

然后在lua脚本中使用:

local shared_memory = ngx.shared.seckill_cache

即可以取到放在共享内存中的数据。对共享内存的操作也是如set ,get 之类。


--优先从缓存获取,否则访问上游接口
local seckill_cache = ngx.shared.seckill_cache
local goodIdCacheKey = "goodId_" .. goodId
local goodCache = seckill_cache:get(goodIdCacheKey)

if goodCache == "" or goodCache == nil then

    ngx.log(ngx.DEBUG,"cache not hited " .. goodId)

    --回源上游接口,比如Java 后端rest接口
    local res = ngx.location.capture("/stock-provider/api/seckill/good/detail/v1", {
        method = ngx.HTTP_POST,
        -- args = requestBody ,  -- 重要:将请求参数,原样向上游传递
        always_forward_body = false, -- 也可以设置为false 仅转发put和post请求方式中的body.
    })

    --返回上游接口的响应体 body
    goodCache = res.body;

    --单位为s
    seckill_cache:set(goodIdCacheKey, goodCache, 10 * 60 * 60)

end
ngx.say(goodCache);

Lua共享内存的淘汰机制

ngx.shared.DICT的实现是采用红黑树实现,当申请的缓存被占用完后如果有新数据需要存储则采用 LRU 算法淘汰掉“多余”数据。

LRU原理

LRU的设计原理就是,当数据在最近一段时间经常被访问,那么它在以后也会经常被访问。这就意味着,如果经常访问的数据,我们需要然其能够快速命中,而不常访问的数据,我们在容量超出限制内,要将其淘汰。

L3本地缓存的优缺点

L3与L2一样,都是本地缓存,优点和缺点如下:

1. 访问速度快,但无法进行大数据存储
  • 本地缓存位于同一个JVM的堆中,相对于分布式缓存的好处是,故性能更好,减少了跨网络传输,
  • 但是本地缓存由于占用 JVM 内存空间 (或者进程的内存空间),故不能进行大数据量的数据存储。
2. 数据一致性问题

本地缓存只支持被该应用进程访问,一般无法被其他应用进程访问,如果对应的数据库数据,存在数据更新,则需要同步更新不同节点的本地缓存副本,来保证数据一致性

本地缓存的更新,复杂度较高并且容易出错,如基于 Redis 的发布订阅机制、或者消息队列MQ来同步更新各个部署节点。

L3级缓存的数据一致性保障

L3级缓存主要用于极热数据,如秒杀的商品数据(对于秒杀这样的场景,瞬间有十几万甚至上百万的请求要同时读取商品。如果没有命中本地缓存,可能导致缓存击穿。

缓存击穿与 缓存穿透的简单区别:

  • 缓存击穿是指数据库中有数据,但是缓存中没有,大量的请求打到数据库;
  • 缓存穿透是指缓存和数据库中都没有的数据,而用户不断发起请求,如发起为id为“-1”的数据或id为特别大不存在的数据。这时的用户很可能是攻击者,攻击会导致数据库压力过大。

为了防止缓存击穿,同时也保持数据一致性,具体的方案为:

L3级缓存的数据一致性保障以及防止缓存击穿方案:

1.数据预热(或者叫预加载)

2.设置热点数据永远不过期,通过 ngx.shared.DICT的缓存的LRU机制去淘汰

3.如果缓存主动更新,在快过期之前更新,如有变化,通过订阅变化的机制,主动本地刷新

4.提供兜底方案,如果本地缓存没有,则通过后端服务获取数据,然后缓存起来

实战:L3级缓存的数据一致性

L3级缓存的数据一致性实战,相当重要,建议一定要动手实战一票。

尼恩的忠实建议:

  • 理论水平的提升,看看视频、看看书,只有两个字,就是需要:多看

  • 实战水平的提升,只有两个字,就是需要:多干

L3级缓存的数据一致性实战的具体材料、源码、问题,欢迎来 疯狂创客圈社群交流。

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posted @ 2021-06-05 18:42  疯狂创客圈  阅读(11009)  评论(2编辑  收藏  举报