Redis复习：高可用与缓存之道

2025年7月16日 Redis 高可用 缓存 分布式

单机的Redis实例虽然性能卓越，但一旦宕机，整个服务将不可用。为了解决这个问题，Redis提供了多种高可用方案，其中最基础和常用的是主从复制，而**哨兵（Sentinel）**则在此基础上实现了自动故障转移。

主从复制是Redis高可用的基石。它允许你将一个Redis服务器（主节点，Master）的数据复制到其他Redis服务器（从节点，Slave）。

工作原理 ：
- 全量同步：当从节点第一次连接主节点，或者断线重连后无法进行增量同步时，会进行全量同步。主节点会生成RDB文件发送给从节点，从节点加载RDB文件恢复数据。
- 增量同步：全量同步完成后，主节点会将后续的所有写命令发送给从节点，从节点执行这些命令来保持数据同步。
优点：
- 读写分离：主节点负责写操作，从节点负责读操作，分担了主节点的压力，提高了并发量。
- 数据冗余：多个从节点存储相同的数据副本，提高了数据安全性。
- 故障恢复基础：当主节点宕机时，可以手动将一个从节点提升为新的主节点。
缺点：
- 无法自动故障转移：主节点宕机后，需要人工干预才能恢复服务，存在服务中断时间。
- 写操作瓶颈：所有写操作都集中在主节点，无法水平扩展写能力。

哨兵模式是Redis官方推荐的高可用解决方案。它由一个或多个哨兵实例组成，这些哨兵实例监控Redis主从节点，并在主节点发生故障时自动进行故障转移。

工作原理 ：
- 监控：哨兵会持续监控主节点和从节点的运行状态。
- 通知：当被监控的某个Redis实例出现问题时，哨兵会向其他哨兵和客户端发送通知。
- 自动故障转移：如果主节点宕机，多个哨兵会通过投票机制选举出一个领导者哨兵，由它负责从现有的从节点中选择一个最优的从节点，将其提升为新的主节点，并通知其他从节点复制新的主节点，同时更新客户端的连接信息。
优点：
- 自动故障转移：无需人工干预，大大缩短了服务中断时间。
- 高可用性：即使部分哨兵实例宕机，只要多数哨兵正常运行，系统依然可以进行故障转移。
缺点：
- 部署复杂：需要部署至少三个哨兵实例，增加了部署和维护的复杂性。
- 写操作瓶颈依然存在：哨兵模式解决了主节点故障问题，但写操作依然集中在单点。

缓存是提升系统性能的利器，但使用不当也会带来一系列问题。以下是缓存领域最常见的三大问题及其解决方案。

定义：查询一个根本不存在的数据，导致请求直接打到数据库，并且数据库也查不到，每次都穿透缓存，给数据库带来巨大压力。

场景：恶意攻击者频繁查询不存在的key，或者业务逻辑中存在大量对不存在数据的查询。
解决方案 ：
- 缓存空对象：如果数据库查询结果为空，也把这个空结果缓存起来，并设置一个较短的过期时间。下次再查询这个key时，直接从缓存返回空，避免了对数据库的访问。缺点是会占用额外的缓存空间。
- 布隆过滤器 (Bloom Filter)：在查询数据库之前，先通过布隆过滤器判断key是否存在。如果布隆过滤器判断key不存在，则直接返回，避免访问数据库。布隆过滤器有误判率（即可能将不存在的key误判为存在），但不会将存在的key误判为不存在。

定义：某个热点key在缓存中过期了，此时有大量并发请求同时访问这个key，这些请求会同时打到数据库，导致数据库压力骤增甚至宕机。

场景：某个商品秒杀活动开始前，商品详情页的缓存突然过期，大量用户同时涌入。
解决方案 ：
- 互斥锁 (Mutex Lock)：当缓存失效时，只有第一个请求能够获取到锁并去数据库加载数据，其他请求则等待。加载完成后，释放锁，其他等待的请求从缓存中获取数据。这可以有效防止大量请求同时打到数据库。
- 设置永不过期：对于一些绝对的热点数据，可以考虑将其设置为永不过期，或者在后台定时刷新缓存，避免其过期。
- 逻辑过期：缓存中不设置物理过期时间，而是设置一个逻辑过期时间字段。当查询发现逻辑过期时，异步地去更新缓存，同时返回旧数据。

定义：在某一时间段内，缓存中大量key同时失效，导致所有请求都涌向数据库，数据库瞬间压力过大而崩溃。

场景：缓存系统宕机，或者大量缓存设置了相同的过期时间，在某个时间点集中失效。
解决方案 ：
- 设置随机过期时间：在设置缓存的过期时间时，在原有过期时间的基础上增加一个随机值，使缓存的过期时间分散开来，避免集中失效。
- 多级缓存：引入多级缓存，例如本地缓存+Redis缓存，当Redis缓存失效时，请求可以先尝试从本地缓存获取数据。
- 熔断与限流：当数据库压力过大时，可以采取熔断机制，暂时停止对数据库的访问，或者进行限流，只允许部分请求通过，保护数据库。
- 服务降级：在系统压力过大时，关闭部分非核心功能，保证核心功能的可用性。