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  • 先操作缓存还是数据库

    http://zhuanlan.51cto.com/art/201807/578810.htm

    【原创】分布式之数据库和缓存双写一致性方案解析

    读操作

    • 尝试从缓存get数据,结果没有命中;
    • 从数据库获取数据,读从库,读写分离;
    • 把数据set到缓存,未来能够命中缓存;

    读操作的流程应该没有歧义。

    写操作

    写操作,既要操作数据库中的数据,又要操作缓存里的数据。

    这里,有两个方案:

    • 先操作数据库,再操作缓存;
    • 先操作缓存,再操作数据库;

    并且,希望保证两个操作的原子性,要么同时成功,要么同时失败。

    这演变为一个分布式事务的问题,保证原子性十分困难,很有可能出现一半成功,一半失败,接下来看下,当原子性被破坏的时候,分别会发生什么。

    1.先数据库,再缓存

    正常情况下:

    • 先操作数据库,成功;
    • 再操作缓存(delete或者set),也成功;

    但如果这两个动作原子性被破坏:第一步成功,第二步失败,会导致,数据库里是新数据,而缓存里是旧数据,业务无法接受。

    画外音:如果第一步就失败,可以返回调用方50X,不会出现数据不一致。

    2.先缓存,再数据库

    正常情况下:

    • 先操作缓存(delete或者set),成功;
    • 再操作数据库,也成功;

    画外音:如果第一步就失败,也可以返回调用方50X,不会出现数据不一致。

    如果原子性被破坏,会发生什么呢?

    这里又分了两种情况:

    • 操作缓存使用set
    • 操作缓存使用delete

    使用set的情况:第一步成功,第二步失败,会导致,缓存里是set后的数据,数据库里是之前的数据,数据不一致,业务无法接受。

    并且,一般来说,数据最终以数据库为准,写缓存成功,其实并不算成功。

    使用delete的情况:第一步成功,第二步失败,会导致,缓存里没有数据,数据库里是之前的数据,数据没有不一致,对业务无影响。只是下一次读取,会多一次cache miss。

    画外音:此时可以返回调用方50X。

    最终,先操作缓存,还是先操作数据库?

    答:

    (1) 读请求,先读缓存,如果没有命中,读数据库,再set回缓存

    (2) 写请求

    • 先缓存,再数据库      (最终以数据库为准的话,我自己觉得先数据库也是可以的。数据库失败就不更新缓存。)
    • 缓存,使用delete,而不是set     (如果对象很大的话,当然删除更快。delete相对来说更好,只不过多了一次cache miss而已。)

    先删缓存,再更新数据库

    基本思路

    该方案会导致不一致的原因是。同时有一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形:
    (1)请求A进行写操作,删除缓存
    (2)请求B查询发现缓存不存在
    (3)请求B去数据库查询得到旧值
    (4)请求B将旧值写入缓存
    (5)请求A将新值写入数据库
    上述情况就会导致不一致的情形出现。而且,如果不采用给缓存设置过期时间策略,该数据永远都是脏数据。
    那么,如何解决呢?采用延时双删策略

    延时双删策略

    (1)先淘汰缓存
    (2)再写数据库(这两步和原来一样)
    (3)休眠1秒,再次淘汰缓存
    这么做,可以将1秒内所造成的缓存脏数据,再次删除。

    那么,这个1秒怎么确定的,具体该休眠多久呢?

    针对上面的情形,读者应该自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时。然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上,加几百ms即可。这么做的目的,就是确保读请求结束,写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。

    如果你用了mysql的读写分离架构怎么办?

    ok,在这种情况下,造成数据不一致的原因如下,还是两个请求,一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作。
    (1)请求A进行写操作,删除缓存
    (2)请求A将数据写入数据库了,
    (3)请求B查询缓存发现,缓存没有值
    (4)请求B去从库查询,这时,还没有完成主从同步,因此查询到的是旧值
    (5)请求B将旧值写入缓存
    (6)数据库完成主从同步,从库变为新值
    上述情形,就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是,睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上,加几百ms。

    采用这种同步淘汰策略,吞吐量降低怎么办?

    ok,那就将第二次删除作为异步的。自己起一个线程,异步删除。这样,写的请求就不用沉睡一段时间后了,再返回。这么做,加大吞吐量。

    第二次删除,如果删除失败怎么办?

    这是个非常好的问题,因为第二次删除失败,就会出现如下情形。还是有两个请求,一个请求A进行更新操作,另一个请求B进行查询操作,为了方便,假设是单库:
    (1)请求A进行写操作,删除缓存
    (2)请求B查询发现缓存不存在
    (3)请求B去数据库查询得到旧值
    (4)请求B将旧值写入缓存
    (5)请求A将新值写入数据库
    (6)请求A试图去删除请求B写入对缓存值,结果失败了。
    ok,这也就是说。如果第二次删除缓存失败,会再次出现缓存和数据库不一致的问题。

    如何解决呢?

    具体解决方案,且看下面的更新策略的解析。

    先更新数据库,再删缓存

    基本思路

    首先,先说一下。老外提出了一个缓存更新套路,名为《Cache-Aside pattern》。其中就指出

    • 失效:应用程序先从cache取数据,没有得到,则从数据库中取数据,成功后,放到缓存中。
    • 命中:应用程序从cache中取数据,取到后返回。
    • 更新:先把数据存到数据库中,成功后,再让缓存失效。

    另外,知名社交网站facebook也在论文《Scaling Memcache at Facebook》中提出,他们用的也是先更新数据库,再删缓存的策略。

    这种情况不存在并发问题么?

    不是的。假设这会有两个请求,一个请求A做查询操作,一个请求B做更新操作,那么会有如下情形产生
    (1)缓存刚好失效
    (2)请求A查询数据库,得一个旧值
    (3)请求B将新值写入数据库
    (4)请求B删除缓存
    (5)请求A将查到的旧值写入缓存
    ok,如果发生上述情况,确实是会发生脏数据。
    然而,发生这种情况的概率又有多少呢?
    发生上述情况有一个先天性条件,就是步骤(3)的写数据库操作比步骤(2)的读数据库操作耗时更短,才有可能使得步骤(4)先于步骤(5)。可是,大家想想,数据库的读操作的速度远快于写操作的(不然做读写分离干嘛,做读写分离的意义就是因为读操作比较快,耗资源少),因此步骤(3)耗时比步骤(2)更短,这一情形很难出现。
    假设,有人非要抬杠,有强迫症,一定要解决怎么办?

    如何解决上述并发问题?

    首先,给缓存设有效时间是一种方案。其次,采用策略(2)里给出的异步延时删除策略,保证读请求完成以后,再进行删除操作。

    还有其他造成不一致的原因么?

    有的,这也是缓存更新策略(2)和缓存更新策略(3)都存在的一个问题,如果删缓存失败了怎么办,那不是会有不一致的情况出现么。比如一个写数据请求,然后写入数据库了,删缓存失败了,这会就出现不一致的情况了。这也是缓存更新策略(2)里留下的最后一个疑问。

    缓存删除失败如何解决

    提供一个保障的重试机制即可,这里给出两套方案。

    方案一:

    如下图所示

    流程如下所示
    (1)更新数据库数据;
    (2)缓存因为种种问题删除失败
    (3)将需要删除的key发送至消息队列
    (4)自己消费消息,获得需要删除的key
    (5)继续重试删除操作,直到成功
    然而,该方案有一个缺点,对业务线代码造成大量的侵入。于是有了方案二,在方案二中,启动一个订阅程序去订阅数据库的binlog,获得需要操作的数据。在应用程序中,另起一段程序,获得这个订阅程序传来的信息,进行删除缓存操作。

    方案二:

    流程如下图所示:
    (1)更新数据库数据
    (2)数据库会将操作信息写入binlog日志当中
    (3)订阅程序提取出所需要的数据以及key
    (4)另起一段非业务代码,获得该信息
    (5)尝试删除缓存操作,发现删除失败
    (6)将这些信息发送至消息队列
    (7)重新从消息队列中获得该数据,重试操作。

    备注说明:上述的订阅binlog程序在mysql中有现成的中间件叫canal,可以完成订阅binlog日志的功能。至于oracle中,博主目前不知道有没有现成中间件可以使用。另外,重试机制,博主是采用的是消息队列的方式。如果对一致性要求不是很高,直接在程序中另起一个线程,每隔一段时间去重试即可,这些大家可以灵活自由发挥,只是提供一个思路。

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