Java培訓(xùn)：多級緩存

1. 前言
   
   

　　提到緩存，想必每一位軟件工程師都不陌生，它是目前架構(gòu)設(shè)計中提高性能最直接的方式。

　　緩存技術(shù)存在于應(yīng)用場景的方方面面。從網(wǎng)站提高性能的角度分析，緩存可以放在瀏覽器，可以放在反向代理服務(wù)器，還可以放在應(yīng)用程序進程內(nèi)，同時可以放在分布式緩存系統(tǒng)中。

　　從用戶請求數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)返回，數(shù)據(jù)經(jīng)過了瀏覽器，CDN，Nginx代理緩存，應(yīng)用服務(wù)器，以及數(shù)據(jù)庫各個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都可以運用緩存技術(shù)。

　　緩存的請求順序是：用戶請求 → HTTP 緩存 → CDN 緩存 → Nginx代理緩存 → 進程內(nèi)緩存 → 分布式緩存。

　　在技術(shù)的架構(gòu)每個環(huán)節(jié)都可以加入緩存，我們看看每個環(huán)節(jié)是如何應(yīng)用緩存技術(shù)的。

　　2. HTTP緩存

　　通常 HTTP 緩存策略分為兩種：

　　- 強緩存

　　- 協(xié)商緩存。

　　從字面意思我們可以很直觀的看到它們的差別：

　　- 強緩存即強制直接使用緩存。

　　- 協(xié)商緩存就得和服務(wù)器協(xié)商確認下這個緩存能不能用。

　　強緩存

　　強緩存不會向服務(wù)器發(fā)送請求，直接從緩存中讀取資源，在 chrome 控制臺的 network 選項中可以看到該請求返回 200 的狀態(tài)碼，并且`size`顯示`from disk cache`或`from memory cache`;

　　協(xié)商緩存

　　協(xié)商緩存會先向服務(wù)器發(fā)送一個請求，服務(wù)器會根據(jù)這個請求的 request header 的一些參數(shù)來判斷是否命中協(xié)商緩存，如果命中，則返回 304 狀態(tài)碼并帶上新的 response header 通知瀏覽器從緩存中讀取資源。

　　2.1 HTTP 緩存控制

　　在 HTTP 中，我們可以通過設(shè)置響應(yīng)頭以及請求頭來控制緩存策略。

　　強緩存可以通過設(shè)置`Expires`和`Cache-Control` 兩種響應(yīng)頭實現(xiàn)。如果同時存在，`Cache-Control`優(yōu)先級高于`Expires`。

　　Expires

　　Expires 響應(yīng)頭，它是 HTTP/1.0 的產(chǎn)物。代表該資源的過期時間，其值為一個絕對時間。它告訴瀏覽器在過期時間之前可以直接從瀏覽器緩存中存取數(shù)據(jù)。由于是個絕對時間，客戶端與服務(wù)端的時間時差或誤差等因素可能造成客戶端與服務(wù)端的時間不一致，將導(dǎo)致緩存命中的誤差。如果在`Cache-Control`響應(yīng)頭設(shè)置了 `max-age` 或者 `s-max-age` 指令，那么 `Expires` 會被忽略。

Expires: Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT

　　Cache-Control

　　`Cache-Control` 出現(xiàn)于 HTTP/1.1?？梢酝ㄟ^指定多個指令來實現(xiàn)緩存機制。主要用表示資源緩存的最大有效時間。即在該時間端內(nèi)，客戶端不需要向服務(wù)器發(fā)送請求。優(yōu)先級高于 Expires。其過期時間指令的值是相對時間，它解決了絕對時間的帶來的問題。

Cache-Control: max-age=315360000

　　`Cache-Control` 有很多屬性，不同的屬性代表的意義也不同。

　　可緩存性

　　- `public` 表明響應(yīng)可以被任何對象(包括：發(fā)送請求的客戶端，代理服務(wù)器，等等)緩存。

　　- `private` 表明響應(yīng)只能被單個用戶緩存，不能作為共享緩存(即代理服務(wù)器不能緩存它)

　　- `no-cache` 不使用強緩存，需要與服務(wù)器驗協(xié)商緩存驗證。

　　- `no-store` 緩存不應(yīng)存儲有關(guān)客戶端請求或服務(wù)器響應(yīng)的任何內(nèi)容，即不使用任何緩存。

　　過期

　　- `max-age=` 緩存存儲的最大周期，超過這個周期被認為過期。

　　- `s-maxage=` 設(shè)置共享緩存。會覆蓋`max-age`和`expires`,私有緩存會忽略它

　　- `max-stale[=]` 客戶端愿意接收一個已經(jīng)過期的資源，可以設(shè)置一個可選的秒數(shù)，表示響應(yīng)不能已經(jīng)過時超過該給定的時間。

　　- `min-fresh=` 客戶端希望在指定的時間內(nèi)獲取最新的響應(yīng)

　　重新驗證和重新加載

　　- `must-revalidate` 如頁面過期，則去服務(wù)器進行獲取。

　　- `proxy-revalidate` 與`must-revalidate` 作用相同，但是用于共享緩存。

　　其他

　　- `only-if-cached` 不進行網(wǎng)絡(luò)請求，完全只使用緩存。

　　- `no-transform` 不得對資源進行轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)變。例如，不得對圖像格式進行轉(zhuǎn)換。

　　協(xié)商緩存可以通過 `Last-Modified`/`If-Modified-Since`和`ETag`/`If-None-Match`這兩對 Header 來控制。

　　2.2 Last-Modified、If-Modified-Since

　　`Last-Modified`與`If-Modified-Since` 的值都是 GMT 格式的時間字符串，代表的是文件的最后修改時間。

       1.在服務(wù)器在響應(yīng)請求時，會通過`Last-Modified`告訴瀏覽器資源的最后修改時間。

　　2. 瀏覽器再次請求服務(wù)器的時候，請求頭會包含`Last-Modified`字段，后面跟著在緩存中獲得的最后修改時間。

　　3. 服務(wù)端收到此請求頭發(fā)現(xiàn)有`if-Modified-Since`，則與被請求資源的最后修改時間進行對比，如果一致則返回 304 和響應(yīng)報文頭，瀏覽器只需要從緩存中獲取信息即可。如果已經(jīng)修改，那么開始傳輸響應(yīng)一個整體，服務(wù)器返回：200 OK

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　　但是在服務(wù)器上經(jīng)常會出現(xiàn)這種情況，一個資源被修改了，但其實際內(nèi)容根本沒發(fā)生改變，會因為`Last-Modified`時間匹配不上而返回了整個實體給客戶端(即使客戶端緩存里有個一模一樣的資源)。為了解決這個問題，HTTP/1.1 推出了`Etag`。Etag 優(yōu)先級高與`Last-Modified`。

　　2.3 Etag、If-None-Match

　　`Etag`都是服務(wù)器為每份資源生成的唯一標識，就像一個指紋，資源變化都會導(dǎo)致 ETag 變化，跟最后修改時間沒有關(guān)系，`ETag`可以保證每一個資源是唯一的。

　　在瀏覽器發(fā)起請求，瀏覽器的請求報文頭會包含 `If-None-Match` 字段，其值為上次返回的`Etag`發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收到次報文后發(fā)現(xiàn) `If-None-Match` 則與被請求資源的唯一標識進行對比。如果相同說明資源沒有修改，則響應(yīng)返 304，瀏覽器直接從緩存中獲取數(shù)據(jù)信息。如果不同則說明資源被改動過，則響應(yīng)整個資源內(nèi)容，返回狀態(tài)碼 200。

　　3. CDN緩存

　　CDN：Content Delivery Network，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，它是構(gòu)建在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的虛擬智能網(wǎng)絡(luò)，依靠部署在各地的邊緣服務(wù)器，通過中心平臺的負載均衡、調(diào)度及內(nèi)容分發(fā)等功能模塊，使用戶在請求所需訪問的內(nèi)容時能夠就近獲取，以此來降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高資源對用戶的響應(yīng)速度。

　　本地存儲和瀏覽器緩存帶來的性能提升主要針對的是瀏覽器端已經(jīng)緩存了所需的資源，當(dāng)發(fā)生二次請求相同資源時便能夠進行快速響應(yīng)，避免重新發(fā)起請求或重新下載全部響應(yīng)資源。

　　這些方法對于首次資源請求的性能提升是無能為力的，若想提升首次請求資源的響應(yīng)速度，除了資源壓縮、圖片優(yōu)化等方式，還可借助CDN技術(shù)。

　　3.1 使用CDN網(wǎng)絡(luò)資源獲取過程

　　如果使用了CDN網(wǎng)絡(luò)，則資源獲取的大致過程是這樣的。

       1.由于DNS服務(wù)器將對CDN的域名解析權(quán)交給了CNAME指向的專用DNS服務(wù)器，所以對用戶輸入域名的解析最終是在CDN專用的DNS服務(wù)器上完成的。

　　2. 解析出的結(jié)果IP地址并非確定的CDN緩存服務(wù)器地址，而是CDN的負載均衡器的地址。

　　3. 瀏覽器會重新向該負載均衡器發(fā)起請求，經(jīng)過對用戶IP地址的距離、所請求資源內(nèi)容的位置及各個服務(wù)器復(fù)雜狀況的綜合計算，返回給用戶確定的緩存服務(wù)器IP地址。

　　4. 對目標緩存服務(wù)器請求所需資源的過程。

　　這個過程也可能會發(fā)生所需資源未找到的情況，那么此時便會依次向其上一級緩存服務(wù)器繼續(xù)請求查詢，直至追溯到網(wǎng)站的根服務(wù)器并將資源拉取到本地。

　　3.2 CDN網(wǎng)絡(luò)的核心功能包括兩點：

　　緩存與回源

　　緩存指的是將所需的靜態(tài)資源文件復(fù)制一份到CDN緩存服務(wù)器上;

　　回源指的是如果未在CDN緩存服務(wù)器上查找到目標資源，或CDN緩存服務(wù)器上的緩存資源已經(jīng)過期，則重新追溯到網(wǎng)站根服務(wù)器獲取相關(guān)資源的過程。

　　4. Nginx代理緩存

　　用戶請求在達到應(yīng)用服務(wù)器之前，會先訪問 Nginx 負載均衡器，如果發(fā)現(xiàn)有緩存信息，直接返回給用戶。

　　如果沒有發(fā)現(xiàn)緩存信息，Nginx 回源到應(yīng)用服務(wù)器獲取信息。

　　另外，有一個緩存更新服務(wù)，定期把應(yīng)用服務(wù)器中相對穩(wěn)定的信息更新到 Nginx 本地緩存中。

　　Nginx設(shè)置緩存有兩種方式：

　　- proxy_cache_path和proxy_cache

　　- Cache-Control和Pragma

　　對于站點中不經(jīng)常修改的靜態(tài)內(nèi)容(如圖片，JS，CSS)，可以在服務(wù)器中設(shè)置expires過期時間，控制瀏覽器緩存，達到有效減小帶寬流量，降低服務(wù)器壓力的目的。

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　　第一步：客戶端第一次向Nginx請求數(shù)據(jù)A;

　　第二步：當(dāng)Nginx發(fā)現(xiàn)緩存中沒有數(shù)據(jù)A時，會向服務(wù)端請求數(shù)據(jù)A;

　　第三步：服務(wù)端接收到Nginx發(fā)來的請求，則返回數(shù)據(jù)A到Nginx，并且緩存在Nginx;

　　第四步：Nginx返回數(shù)據(jù)A給客戶端應(yīng)用;

　　第五步：客戶端第二次向Nginx請求數(shù)據(jù)A;

　　第六步：當(dāng)Nginx發(fā)現(xiàn)緩存中存在數(shù)據(jù)A時，則不會請求服務(wù)端;

　　第七步：Nginx把緩存中的數(shù)據(jù)A返回給客戶端應(yīng)用。

　　默認情況下，NGINX尊重Cache-Control源服務(wù)器的標頭。它不緩存響應(yīng)Cache-Control設(shè)置為Private，No-Cache或No-Store或Set-Cookie在響應(yīng)頭。NGINX只緩存GET和HEAD客戶端請求。

　　如下配置可覆蓋這些默認值：

　　- proxy_buffering默認為on，若proxy_buffering設(shè)置為off，則NGINX不會緩存響應(yīng)。

　　- proxy_ignore_headers可以配置忽略Cache-Control：

location /images/ {
    proxy_cache my_cache;
    proxy_ignore_headers Cache-Control;
    proxy_cache_valid any 30m;
    # ...
}

　　5. 進程緩存

　　通過了客戶端，CDN，Nginx代理緩存，我們終于來到了應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器上部署著一個個應(yīng)用，這些應(yīng)用以進程的方式運行著，那么在進程中的緩存是怎樣的呢?

　　進程內(nèi)緩存又叫托管堆緩存，以 Java 為例，這部分緩存放在 JVM 的托管堆上面，同時會受到托管堆回收算法的影響。

　　由于其運行在內(nèi)存中，對數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度很快，通常我們會把熱點數(shù)據(jù)放在這里。

　　在進程內(nèi)緩存沒有命中的時候，我們會去搜索進程外的緩存或者分布式緩存。這種緩存的好處是沒有序列化和反序列化，是最快的緩存。缺點是緩存的空間不能太大，對垃圾回收器的性能有影響。

　　目前比較流行的實現(xiàn)有 Ehcache、GuavaCache、Caffeine。這些架構(gòu)可以很方便的把一些熱點數(shù)據(jù)放到進程內(nèi)的緩存中。

　　這里我們需要關(guān)注幾個緩存的回收策略，具體的實現(xiàn)架構(gòu)的回收策略會有所不同，但大致的思路都是一致的：

　　- FIFO(First In First Out)：先進先出算法，最先放入緩存的數(shù)據(jù)最先被移除。

　　- LRU(Least Recently Used)：最近最少使用算法，把最久沒有使用過的數(shù)據(jù)移除緩存。

　　- LFU(Least Frequently Used)：最不常用算法，在一段時間內(nèi)使用頻率最小的數(shù)據(jù)被移除緩存。

　　在分布式架構(gòu)的今天，多應(yīng)用中如果采用進程內(nèi)緩存會存在數(shù)據(jù)一致性的問題。

　　這里推薦兩個方案：

　　- 消息隊列方案

　　應(yīng)用在修改完自身緩存數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)之后，給消息隊列發(fā)送數(shù)據(jù)變化通知，其他應(yīng)用訂閱了消息通知，在收到通知的時候修改緩存數(shù)據(jù)。

　　- 定時任務(wù)修改方案

　　為了避免耦合，降低復(fù)雜性，對“實時一致性”不敏感的情況下。每個應(yīng)用都會啟動一個定時任務(wù)，定時從數(shù)據(jù)庫拉取最新的數(shù)據(jù)，更新緩存。

　　進程內(nèi)緩存有哪些使用場景呢?

　　- 場景一：只讀數(shù)據(jù)，可以考慮在進程啟動時加載到內(nèi)存。當(dāng)然，把數(shù)據(jù)加載到類似 Redis 這樣的進程外緩存服務(wù)也能解決這類問題。

　　- 場景二：高并發(fā)，可以考慮使用進程內(nèi)緩存，例如：秒殺。

　　6. 分布式緩存

　　說完進程內(nèi)緩存，自然就過度到進程外緩存了。

　　與進程內(nèi)緩存不同，進程外緩存在應(yīng)用運行的進程之外，它擁有更大的緩存容量，并且可以部署到不同的物理節(jié)點，通常會用分布式緩存的方式實現(xiàn)。

　　分布式緩存是與應(yīng)用分離的緩存服務(wù)，最大的特點是，自身是一個獨立的應(yīng)用/服務(wù)，與本地應(yīng)用隔離，多個應(yīng)用可直接共享一個或者多個緩存應(yīng)用/服務(wù)。

　　為了提高緩存的可用性，會在原有的緩存節(jié)點上加入 Master/Slave 的設(shè)計。當(dāng)緩存數(shù)據(jù)寫入 Master 節(jié)點的時候，會同時同步一份到 Slave 節(jié)點。

　　一旦 Master 節(jié)點失效，可以通過代理直接切換到 Slave 節(jié)點，這時 Slave 節(jié)點就變成了 Master 節(jié)點，保證緩存的正常工作。

　　每個緩存節(jié)點還會提供緩存過期的機制，并且會把緩存內(nèi)容定期以快照的方式保存到文件上，方便緩存崩潰之后啟動預(yù)熱加載。

　　6.1 緩存雪崩

　　當(dāng)緩存失效，緩存過期被清除，緩存更新的時候。請求是無法命中緩存的，這個時候請求會直接回源到數(shù)據(jù)庫。

　　如果上述情況頻繁發(fā)生或者同時發(fā)生的時候，就會造成大面積的請求直接到數(shù)據(jù)庫，造成數(shù)據(jù)庫訪問瓶頸。我們稱這種情況為緩存雪崩。

　　從如下兩方面來思考解決方案：

　　緩存方面：

　　- 避免緩存同時失效，不同的 key 設(shè)置不同的超時時間。

　　- 增加互斥鎖，對緩存的更新操作進行加鎖保護，保證只有一個線程進行緩存更新。緩存一旦失效可以通過緩存快照的方式迅速重建緩存。對緩存節(jié)點增加主備機制，當(dāng)主緩存失效以后切換到備用緩存繼續(xù)工作。

　　設(shè)計方面，這里給出了幾點建議供大家參考：

　　- 熔斷機制：某個緩存節(jié)點不能工作的時候，需要通知緩存代理不要把請求路由到該節(jié)點，減少用戶等待和請求時長。

　　- 限流機制：在接入層和代理層可以做限流，當(dāng)緩存服務(wù)無法支持高并發(fā)的時候，前端可以把無法響應(yīng)的請求放入到隊列或者丟棄。

　　- 隔離機制：緩存無法提供服務(wù)或者正在預(yù)熱重建的時候，把該請求放入隊列中，這樣該請求因為被隔離就不會被路由到其他的緩存節(jié)點。

　　- 如此就不會因為這個節(jié)點的問題影響到其他節(jié)點。當(dāng)緩存重建以后，再從隊列中取出請求依次處理。

　　62. 緩存穿透

　　緩存一般是 Key，Value 方式存在，一個 Key 對應(yīng)的 Value 不存在時，請求會回源到數(shù)據(jù)庫。

　　假如對應(yīng)的 Value 一直不存在，則會頻繁的請求數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫造成訪問壓力。如果有人利用這個漏洞攻擊，就麻煩了。

　　解決方法：如果一個 Key 對應(yīng)的 Value 查詢返回為空，我們?nèi)匀话堰@個空結(jié)果緩存起來，如果這個值沒有變化下次查詢就不會請求數(shù)據(jù)庫了。

　　將所有可能存在的數(shù)據(jù)哈希到一個足夠大的 Bitmap 中，那么不存在的數(shù)據(jù)會被這個 Bitmap 過濾器攔截掉，避免對數(shù)據(jù)庫的查詢壓力。

　　6.3 緩存擊穿

　　在數(shù)據(jù)請求的時候，某一個緩存剛好失效或者正在寫入緩存，同時這個緩存數(shù)據(jù)可能會在這個時間點被超高并發(fā)請求，成為“熱點”數(shù)據(jù)。

　　這就是緩存擊穿問題，這個和緩存雪崩的區(qū)別在于，這里是針對某一個緩存，前者是針對多個緩存。

　　解決方案：導(dǎo)致問題的原因是在同一時間讀/寫緩存，所以只有保證同一時間只有一個線程寫，寫完成以后，其他的請求再使用緩存就可以了。

　　比較常用的做法是使用 mutex(互斥鎖)。在緩存失效的時候，不是立即寫入緩存，而是先設(shè)置一個 mutex(互斥鎖)。當(dāng)緩存被寫入完成以后，再放開這個鎖讓請求進行訪問。