缓存系列文章--8.热点key问题(mutex key)
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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(注释:第1,2种方法来自Tim Yang博客)
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)
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
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:
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:
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
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。
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:
之前在缓存雪崩那篇文章提到了netflix的hystrix,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。
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。
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。
五、参考文献:(本文部分代码和图来自如下两篇博客)