超高流量多级缓存架构设计！

无敌少年小旋风2024-11-25 11:16

文章内容已经收录在《面试进阶之路》，从原理出发，直击面试难点，实现更高维度的降维打击！

文章目录

电商-多级缓存架构设计

多级缓存架构介绍

多级缓存架构在互联网电商场景中经常使用，因为读、写请求量级较大，RT 要求较低，这里讨论的多级缓存架构仅以读请求性能提升为目的

为什么多级缓存架构可以提升读性能？

缓存的本质就是 数据冗余 ，通过将数据一层一层冗余，放在离用户更近、容量更小、价格更贵、速度更快的存储系统上，以此来提升系统的访问性能

MySQL 作为数据库层，数据存储成本低，但同样访问速度较慢（相比于 Redis 来说），因为它是基于磁盘文件来进行读取的，每次读、写数据都需要发生磁盘 IO，一般来说，对于比较热点的数据，尽量避免它们的访问路径达到 MySQL 层，而是在前置层就拦截下来

常用的多级缓存架构为：本地缓存 + 分布式缓存 Redis + DB，这样的架构一般情况下足以满足大部分场景了，但是如果想要支撑更高量级的查询请求，就需要将缓存进一步前置，来抗下请求

各层的性能瓶颈分析：

  • DB 层的性能瓶颈，显然在于读取数据需要进行的 磁盘 IO ，因此想要进一步提升性能需要将数据从磁盘转移到速度更快的内存中（Redis）
  • Redis 层的性能瓶颈在于 网络 IO ，JVM 应用请求 Redis 获取数据，需要发起 IO 请求，因此想要进一步提升性能，需要减少 IO 消耗（JVM 本地缓存）
  • JVM 本地缓存的性能瓶颈在于 Tomcat 服务器，单个 Tomcat 服务器处理的并发请求数量有限（根据请求的响应时间不同，可能每秒处理几百、几千个请求，通过增加 Tomcat 服务的数量也可以增加并发请求性能，在 K8s 上就是多 Pod 部署，这里主要讲如何通过缓存前置提升性能），因此可以将数据的响应前置到 Tomcat 服务器之前（Nginx）
  • Nginx 是高性能的 Web 服务器，并发请求处理数量可以达到几万，因此可以选择在 Nginx 本地内存存储部分数据、或者在 Nginx 层通过 Lua 脚本直接访问 Redis 的数据，这样性能瓶颈就可以由 Tomcat 转到 Nginx 上来
  • 单机 Nginx 的性能有限，因此使用两层 Nginx 的架构，接入层 Nginx 和应用层 Nginx，接入层 Nginx 负责将请求负载均衡到多个应用层 Nginx 上，用作流量分发，而应用层 Nginx 接近业务层，处理业务逻辑，用作热点缓存的读取

互联网公司常用多级缓存架构：

缓存的层次越多，容易造成数据不一致的可能性就越大、设计的复杂性越高，并不是缓存层次越多越好，这里只是列举多级缓存的方案、策略，具体选择还要根据实际情况来

互联网常用的多级缓存为 JVM 本地缓存 + Redis 缓存，通过两级缓存可以满足大部分场景，对于极其热点的数据，可以采用 Nginx + JVM 本地缓存 + Redis 缓存三级缓存架构

JVM 缓存一般会存放一些热点数据，提升热点数据访问性能，避免热点数据将 Redis 分片打垮

由于 JVM 本地缓存容量有限，如果仅仅在查询 Redis 数据时，同时将数据放到本地缓存，那么本地缓存的命中率是不高的

因此通常需要一个热点探测系统，探测到热点 key，再将热点数据放到本地缓存，以此来提升缓存的命中率，互联网大厂都有自研的热点探测系统，比如得物的 Burning、京东的 hotkey

多级缓存请求流程

用户请求进入到接入层 Nginx 之后，会经过负载均衡算法进行分发：

  • 用户请求被 负载均衡 到各个应用层 Nginx 上
  • 在应用层 Nginx 上，读取 本地缓存 ， 降低对热点数据后端服务的冲击
  • 如果 Nginx 本地缓存未命中，则读取 Redis 缓存 ，作为第二层缓存， 减少对 Tomcat 集群的压力
  • 如果 Redis 缓存未命中，则进入到 JVM 应用层，先读取 JVM 本地内存
  • 如果 JVM 本地内存未命中，则访问 Redis 集群
  • 如果 Redis 集群未命中，则访问 DB

多级缓存架构如何应用？

可以看到整个访问请求的流程是比较复杂的，看起来复杂，其实不需要一次性把各个级别的缓存全部使用上，而是根据实际情况，来逐步对缓存架构进行完善：

  • 初始，先不增加缓存，使用 DB，当发现 DB 存在瓶颈，再使用 Redis 作为前置缓存优化
  • 当 Redis 不足以支撑查询请求，可以将部分热数据放到 JVM 本地内存，这样就进一步减少了访问 Redis 的网络 IO 消耗
  • 当发现 JVM 内存无法支撑更多的查询请求（也就是 Tomcat 服务器支撑的并发请求数量达到了瓶颈），就可以考虑将缓存进一步前置到 Nginx 层（Tomcat 服务器可以支撑几百、几千的并发，而 Nginx 可以支撑几万的并发，两者性能不处于一个量级）
  • 将访问频率更高的数据放到应用层 Nginx 的本地内存，或者基于 OpenResty，在 Nginx 层去访问 Redis 中的数据，以此来提升访问性能（比如变化频率较低的数据可以放在 nginx 的本地内存，变化频率较高的数据可以通过 nginx + lua 去访问 redis 缓存）

接下来逐个介绍流程中相关的一些细节，如负载均衡算法的选择、应用层 Nginx 读取本地缓存的实现方式、缓存更新的脏写问题等等

负载均衡算法的选择

从接入层 Nginx 负载均衡到多个应用层 Nginx 需要负载均衡算法，来进行节点选择，负载均衡算法有很多

常用的有：轮询和一致性哈希

这里也主要介绍这两种负载均衡算法

轮询负载均衡

轮询的优势在于：

  • 对请求的负载更加均衡

缺点在于：

  • 相同的请求会被转发到不同的节点，因此随着节点的增多，缓存命中率不断降低
一致性哈希

一致性哈希的优势在于：

  • 相同的请求会被路由到同一台机器上
  • 如果出现节点宕机，只会少部分缓存数据失效

缺点在于：

  • 相同的请求路由到同一台机器上，会导致大量请求集中在某台机器上
负载均衡算法选择
  • 当负载较低，此时我们更追求缓存的命中率，因此可以使用 一致性哈希
  • 当负载较高，此时对热点数据的访问请求较多，更希望让热点数据在多节点都存储，此时更加追求请求的平均分散，就不建议使用一致性哈希算法，可以选择 轮询 来处理热点数据的访问

为什么负载较高时，不建议使用一致性哈希算法呢？

比如在 Redis Cluster 中，就没有使用一致性哈希算法，而是对数据进行 CRC16 校验之后，key 对 16384 取模，来决定放到数据放到哪一个槽位中，比如有 3 个节点， node1 包含 0 到 5460 号哈希槽，node2 包含 5461 到 10922 号哈希槽，node3包含 10922 到 16383 号哈希槽，这样就可以将数据放到对应的 Redis 节点中去

如果使用一致性哈希算法，数据 key 会对 2^32 取模，比如有 3 个节点，每个节点都会负责一部分数据，如下图：

但是当其中一个节点挂掉之后，顺时针方向向下的机器节点就要多承担 1/3 的流量，假如当每个 Redis 节点负载都很高的情况下，此时 n0 节点挂掉，则 n1 节点需要承担 2/3 的流量，就可能导致 n1 节点也挂掉，之后 n2 节点也会挂掉，导致整个集群的雪崩

应用层 Nginx 本地缓存实现

在应用层 Nginx 本地缓存可以使用 Lua Shared Dict 来实现，Lua Shared Dict 是 OpenResty 提供的功能

OpenResty 是一个强大的 Web 平台，将 Nginx 和 Lua 语言集成起来，可以通过 Lua 开发相关业务逻辑，进行热点数据的查询、获取等操作

通过 Nginx + Lua，可以有两种获取数据的方式：

  • 从 Nginx 本地内存获取数据
  • 从远程 Redis 中获取数据
热点数据存放

应用层 Nginx 会进行第一层的数据处理，并且在这里会存储热点数据，因此需要在这一层对热点数据进行统计

应用层 Nginx 会将请求上报到 热点发现系统 ，热点发现系统可以进行热点数据的统计，并且将热点数据进行推送（推送到应用层 Nginx 本地缓存）

热点数据的存放位置不仅可以放在应用层 Nginx，还可以放在 JVM 本地缓存中，可以灵活选择

互联网公司中的热点数据探测系统

热点数据发现系统，得物研发了 Burning，京东零售研发了 hotkey，都用于进行热点数据的探测，这里以京东 hotkey 来介绍：

热点探测系统主要应用的场景：

  • MySQL、Redis 中频繁被访问的数据
  • 恶意攻击、爬虫请求、机器人

当出现热点 key 之后，每秒出现几百万的访问请求，会瞬间导致其所在的 Redis 分片集群瘫痪，导致该 Redis 分片上其他的数据也无法访问，因此热点 key 会成为 Redis 的性能瓶颈

以往热点 key 常使用二级缓存来解决，即 JVM 本地缓存 + Redis 缓存，当去 Redis 缓存读取数据之后，也向 JVM 本地缓存放一份，由于 JVM 本地缓存容量有限，这样的方式会导致热点数据命中率较低

因此需要一个统一的热点 key 的探测方案，将探测出来的热点数据推送到 JVM 本地缓存，JVM 本地缓存的访问性能相比于 Redis 缓存的访问性能高出很多，因为不存在网络 IO 的开销

热点 key 参考资料：

数据缓存优化

数据缓存过期时间

对于缓存数据的加载有两种：

  • 设置过期时间：适合热点、易更新数据，如库存数据缓存几秒，可以短时间内不一致
  • 不设置过期时间：适合非热点、长期访问数据，如用户信息、店铺信息、类别、订单等信息

对于 缓存数据淘汰 来说，设置过期时间的数据到时间后就会自动删除，而不设置过期时间的数据，我们需要控制缓存的大小，当缓存空间满了之后，通过淘汰策略进行数据的删除

对于 淘汰策略 来说，有多种算法可供选择：

  • LRU（Least Recently Used，最近最少使用） 根据访问 时间 淘汰最久未被访问的数据；但是对于大批量数据访问来说，会导致缓存命中率下降

  • LFU（Least Frequently Used，最近最不常用） 根据访问 频率 淘汰最不常访问的数据；如果访问内容发生较大变化，会导致缓存命中率下降

  • ARC（Adaptive Replacement Cache，自适应缓存替换）算法，结合了 LRU、LFU 两者的优势，既能根据 时间 又能根据 频率 进行数据的淘汰

对于缓存的加载可以使用 缓存旁路模式 ，先写数据库，再写缓存；对于更新来说，先更新数据库，再删除缓存

增量化缓存重建

对于复杂数据来说，缓存重建的成本较高，可以通过两个步骤减少缓存重建成本：

  • 对复杂数据进行维度划分
  • 根据增量数据的变更，只进行对应维度的缓存重建

比如对于商品来说，有多个维度：基础信息、图片、规则、介绍等等，哪个维度的数据更新了，就只需要重建对应维度的缓存数据，维度化之后的缓存冲减成本大大降低

缓存数据一致性保证

缓存数据一致性即在数据库数据发生变更后，需要对缓存中的数据进行更新，来保证缓存数据的一致性

多级缓存架构下，不同级别缓存的特性存在不同，因此缓存数据的更新策略也会存在不同

对于分布式缓存 Redis 来说，一份数据在 Redis 中只存储一份，可以存储较多的数据；而对于 JVM 缓存来说，热点数据会在每个 JVM 节点上都存储一份，并且本地缓存容量较小，只存储少量数据

因此这两种缓存存在一定的差异性，对应的 缓存更新策略 也会不同

Redis 数据一致性

Redis 的数据一致性一般通过两种方式来保证：

  • 同步删除缓存数据：在更新接口内部，通过延时双删来保证数据的一致性
  • 异步删除缓存数据：通过监听数据库的 binlog 日志，来实现缓存数据的更新
方案一：同步删除缓存 - 旁路缓存策略

对于缓存数据的一致性，使用通用方案就可以保证大部分场景下的数据一致性，基于实现成本和数据一致性的考虑，旁路缓存策略 是一种比较通用的缓存一致性更新策略，流程为：

  • 读场景先从缓存读取数据，如果命中直接返回；如果未命中，则去数据库中读取
  • 写场景下先更新数据库中的数据，之后再去失效对应的缓存

使用缓存的目的是提升系统性能，但同时也失去了一定的数据一致性，因此使用缓存的场景一定是可以容忍短暂的数据不一致问题的，那么因此也就没有必要为了保证比较强的数据一致性，去投入较大的实现成本

在旁路缓存策略中，在极端情况下（读写操作时序错乱时）也会发生数据不一致的问题。如下（不过这种属于极其小概率事件，了解即可）：

线程 A（写操作） 线程 B（读操作）
读取缓存未命中
读取数据库旧值
更新数据库数据
失效缓存
将数据库旧值放入缓存（脏数据）
方案二：同步删除缓存 - 延时双删

基于上边的问题，也有优化方案，可以减少发生这种事件的概率，比如 延时双删 ，即两次删除缓存，如下：

  • 第一次删除缓存是为了更快的达到最终一致性效果
  • 第二次会延时一段时间后再次去删除缓存，就是为了删除可能存在的脏数据

其次需要考虑延时时间的设置： 脏数据来源于读操作，读操作的耗时最多就是去读取数据库从节点上的旧数据，那么这里的延时时间需要保证大于读操作时间 + 数据库主从同步延时时间

虽然这种方案实现起来简单，但也存在不足：

  • 延迟时间是预估的，并不一定准确

  • 延迟等待第二次删除缓存会阻塞操作，存在性能消耗，可以使用异步线程来完成第二次删除

不过通过延时双删已经可以保证比较好的数据一致性了

方案三：异步删除缓存 - 基于 binlog 实现

除了延时双删，还存在其他的缓存更新策略，如 基于 binlog 实现缓存更新

阿里巴巴开源了 Canal 就是监听 binlog 来完成缓存更新，工作原理：

  • Canal 模拟 MySQL 的从库，向主库发送数据同步请求
  • MySQL 主库向 Canal 发送数据同步的 binlog
  • Canal Server 解析 binlog 并存储
  • 应用创建 Canal 客户端与 Canal Server 通信获取对应 binlog，完成对应业务操作

这里直接通过客户端和 Canal Server 通信存在性能问题，同一时刻只能一个客户端和 Canal Server 通信，单节点难以承受较大数据规模的缓存更新任务

因此从 Canal 1.1.1 版本之后，Canal Server 支持将 binlog 投递至 MQ，通过 MQ 可以实现多个客户端去消费，完成大量数据的缓存更新任务

不过针对互联网大多数场景来说，完全没有必要使用 Canal 来完成缓存数据的更新，通过缓存旁路策略完全可以满足数据一致性需要，再引入 Canal 会导致架构复杂，并需要维护 Canal 的可用性，实现成本较高

基于 binlog 保证缓存数据一致性的流程：

具体实现方式通过 Canal + RocketMQ 来保证缓存数据库的一致性

对于数据直接更新 DB 的情况，通过 canal 监控 MySQL 的 binlog 日志，并且发送到 RocketMQ 中，MQ 的消费者对数据进行消费并解析 binlog，过滤掉非增删改的 binlog，那么解析 binlog 数据之后，就可以知道对 MySQL 中的哪张表进行 增删改 操作了

接下来只需要拿到这张表在 Redis 中存储的 key，再从 Redis 中删除旧的缓存即可

关于 binlog 消费一致性的保证（摘自 Canal 仓库 Wiki）：

binlog本身是有序的，写入到mq之后如何保障顺序是很多人会比较关注，在issue里也有非常多人咨询了类似的问题，这里做一个统一的解答

1、canal目前选择支持的kafka/rocketmq，本质上都是基于本地文件的方式来支持了分区级的顺序消息的能力，也就是binlog写入mq是可以有一些顺序性保障，这个取决于用户的一些参数选择

2、canal支持MQ数据的几种路由方式：单topic单分区，单topic多分区、多topic单分区、多topic多分区

  • canal.mq.dynamicTopic，主要控制是否是单topic还是多topic，针对命中条件的表可以发到表名对应的topic、库名对应的topic、默认topic name
  • canal.mq.partitionsNum、canal.mq.partitionHash，主要控制是否多分区以及分区的partition的路由计算，针对命中条件的可以做到按表级做分区、pk级做分区等

3、canal的消费顺序性，主要取决于描述2中的路由选择，举例说明：

  • 单topic单分区，可以严格保证和binlog一样的顺序性，缺点就是性能比较慢，单分区的性能写入大概在2~3k的TPS
  • 多topic单分区，可以保证表级别的顺序性，一张表或者一个库的所有数据都写入到一个topic的单分区中，可以保证有序性，针对热点表也存在写入分区的性能问题（该方式保证同一张表的所有 binlog 都投递到同一个分区中，保证同一张表的 binlog 日志有序）
  • 单topic、多topic的多分区，如果用户选择的是指定table的方式，那和第二部分一样，保障的是表级别的顺序性(存在热点表写入分区的性能问题)，如果用户选择的是指定pk hash（使用表中的主键进行 hash，选择投递到哪一个分区，该方式可以保证主键相同的数据的 binlog 可以有序）的方式，那只能保障的是一个pk的多次binlog顺序性 ** pk hash的方式需要业务权衡，这里性能会最好，但如果业务上有pk变更或者对多pk数据有顺序性依赖，就会产生业务处理错乱的情况. 如果有pk变更，pk变更前和变更后的值会落在不同的分区里，业务消费就会有先后顺序的问题，需要注意

如果看完之后仍然感觉不太理解，可以自行搜索一下 RocketMQ 如何保证有序性，来结合理解一下

本地缓存数据一致性

对于本地缓存来说，通常一些热点数据会放在本地缓存，这部分热点数据的量通常很小，因此可以采取 主动更新 + 过期时间 的方式去刷新本地缓存

  • 对于不容易发生变化的数据，比如促销信息，可以设置过期时间为 30min，再配合定时任务（比如 1min 更新一次）去刷新本地缓存数据
  • 对于变化比较频繁的数据，可以将过期时间设置为 1min，再配合定时任务（比如 30ms 更新一次）去刷新本地缓存数据
本地双缓存策略

在本地使用单缓存，可能会存在一定的 RT 尖刺（也就是当本地缓存过期时，此时读请求需要去远程获取数据，导致响应时间存在波动），因此可以考虑使用双缓存策略：同时创建两份本地缓存，

两份缓存的过期时间不同：

  • 第一份缓存的过期时间设置为，写之后的 30min 过期（强制写之后 30min 过期，保证可以即使刷新缓存）
  • 第二份缓存的过期时间设置为，读、写之后的 40min 过期（这样可以延迟第二份缓存的过期时间）

读、写操作还是以第一份缓存为主，如果读操作发现第一份缓存没有数据，再去第二份缓存获取对应数据，如果都没有，则远程读取数据，同时放入到两份缓存中

这样当第一份缓存过期之后，第二份缓存中还存在数据，因此读操作可以从第二份缓存中获取数据，在这期间，第一份缓存就完成了数据的加载，第二份缓存作为备用，在第一份缓存过期时可以保证对外提供数据，当第一份缓存加载好之后，读请求仍然从第一份缓存中读取数据

创建本地双缓存细节如下：

JAVA 复制代码 
@Bean(name = "promotion")
public Cache<String, Result> promotionCache() {
    int rnd = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10);
    return Caffeine.newBuilder()
            // 设置过期时间为 30min，再加上随机时间
            .expireAfterWrite(30 + rnd, TimeUnit.MINUTES)
            .initialCapacity(20)
            .maximumSize(100)
            .build();
}

@Bean(name = "promotionBack")
public Cache<String, Result> promotionCacheBack() {
    int rnd = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10);
    return Caffeine.newBuilder()
            // 设置最后一次访问后的过期时间
            .expireAfterAccess(40 + rnd, TimeUnit.MINUTES)
            .initialCapacity(20)
            .maximumSize(100)
            .build();
}

本地双缓存的刷新：

对于本地双缓存的刷新，需要通过定时任务来完成刷新，即发现第一份缓存或者第二份缓存中的数据失效了，就去远程获取数据，放入到本地双缓存中

JAVA 复制代码 
@Async
@Scheduled(initialDelay=5000*60,fixedDelay = 1000*60)
public void refreshCache(){
    // 1、检查是否开启本地缓存
    if(isAllowLocalCache()){
        // 2、获取本地缓存的 key
        String cacheKey = ...;
        // 3、如果发现某一个缓存的数据失效，就去完成缓存数据的加载
        if(null == promotionCache.getIfPresent(cacheKey) || null == promotionCacheBack.getIfPresent(cacheKey)){
			// 4、从远程获取数据，比如 Redis 或者 DB
            Result result = getFromRemote();
            if(null != result){
                // 5、将数据放入双缓存
                if(null == promotionCache.getIfPresent(brandKey)) {
                    promotionCache.put(brandKey,result);
                }
                if(null == promotionCacheBack.getIfPresent(brandKey)) {
                    promotionCacheBack.put(brandKey,result);
                }
            } else {
                log.warn("从远程获得{} 数据失败", cacheKey);
            }
        }
    }
}

缓存最终一致性的保证

无论如何保证，缓存数据都可能存在不一致的情况，因此需要一种措施来保证缓存数据的最终一致性

这种措施也就是： 过期时间

只要对缓存数据设置过期时间，最后缓存数据就一定会删除，那么也就一定会达到最终一致性

总结

综上，介绍了多种保证缓存一致性的解决方案，软件工程没有绝对的银弹，在真正使用场景中，需要从业务场景对数据不一致时间、实现成本、维护成本等多个方面进行评估，选择适合的方案，并在真实场景中压测、实验，来对比方案的优劣

最后再说一下，既然使用缓存，肯定就没办法保证绝对的一致性

比如在 Linux 内核中，使用了 PageCache（在内存中） 来优化 IO 性能，所有的 IO 操作，数据并不是直接写入到磁盘中，而是先放入到了 PageCache 中，再统一时间将 PageCache 的数据刷入到磁盘中，以此来提升磁盘 IO 的效率

那么在服务器异常关机的情况下，丢失数据的原因就是数据没有及时的从 PageCache 中刷入到磁盘中，可以发现在操作系统层面上也会存在缓存数据丢失的问题，那么在软件层面上就更不可避免地会出现数据不一致的情况了

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