如何保证数据库和缓存的一致性

码农世界 2024-06-20 后端 86 次浏览 0个评论

背景：为了提高查询效率，一般会用redis作为缓存。客户端查询数据时，如果能直接命中缓存，就不用再去查数据库，从而减轻数据库的压力，而且redis是基于内存的数据库，读取速度比数据库要快很多。

更新数据库，更新缓存

由于引入了缓存，那么在数据更新时，不仅要更新数据库，而且要更新缓存，这两个更新操作存在前后的问题：

先更新数据库，再更新缓存；
先更新缓存，再更新数据库；
先更新数据库，再更新缓存

会存在并发问题。

举个例子，比如「请求 A 」和「请求 B 」两个请求，同时更新「同一条」数据，则可能出现这样的顺序：

请求A先将数据库更新为1，然后因为网络原因，缓存更新延迟了，在这之间请求B将数据库更新为2，并且把缓存更新为2了，之后缓存更新为1才更新成功，那么此时数据库中数据是2，缓存中数据为1，出现了数据不一致现象。

先更新缓存，再更新数据库

那换成「先更新缓存，再更新数据库」这个方案，还会有问题吗？

依然还是存在并发的问题。

假设「请求 A 」和「请求 B 」两个请求，同时更新「同一条」数据，则可能出现这样的顺序：

A 请求先将缓存的数据更新为 1，然后在更新数据库前，B 请求来了，将缓存的数据更新为 2，紧接着把数据库更新为 2，然后 A 请求将数据库的数据更新为 1。

此时，数据库中的数据是 1，而缓存中的数据却是 2，出现了缓存和数据库中的数据不一致的现象。

所以，无论是「先更新数据库，再更新缓存」，还是「先更新缓存，再更新数据库」，这两个方案都存在并发问题，当两个请求并发更新同一条数据的时候，可能会出现缓存和数据库中的数据不一致的现象。

更新数据库，删除缓存

在更新数据时，不更新缓存，而是删除缓存中的数据。然后，到读取数据时，发现缓存中没了数据之后，再从数据库中读取数据，更新到缓存中。这个策略叫 Cache Aside 策略，中文是叫旁路缓存策略。

该策略又可以细分为「读策略」和「写策略」。

写策略的步骤：
- 更新数据库中的数据；
- 删除缓存中的数据。
  读策略的步骤：
  - 如果读取的数据命中了缓存，则直接返回数据；
  - 如果读取的数据没有命中缓存，则从数据库中读取数据，然后将数据写入到缓存，并且返回给用户。
    先删除缓存，再更新数据库
    
    假设某个用户的年龄是 20，请求 A 要更新用户年龄为 21，所以它会删除缓存中的内容。这时，另一个请求 B 要读取这个用户的年龄，它查询缓存发现未命中后，会从数据库中读取到年龄为 20，并且写入到缓存中，然后请求 A 继续更改数据库，将用户的年龄更新为 21。
    
    最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库的数据不一致。
    
    可以看到，先删除缓存，再更新数据库，在「读 + 写」并发的时候，还是会出现缓存和数据库的数据不一致的问题。
    
    延迟双删
    
    针对这个问题，可以使用延迟双删
    
    延迟双删实现的伪代码如下：
```
#删除缓存
redis.delKey(X)
#更新数据库
db.update(X)
#睡眠
Thread.sleep(N)
#再删除缓存
redis.delKey(X)
```
    加了个睡眠时间，主要是为了确保请求 A 在睡眠的时候，请求 B 能够在这这一段时间完成「从数据库读取数据，再把缺失的缓存写入缓存」的操作，然后请求 A 睡眠完，再删除缓存。
    
    所以，请求 A 的睡眠时间就需要大于请求 B 「从数据库读取数据 + 写入缓存」的时间。
    
    先更新数据库，再删除缓存
    
    假如某个用户数据在缓存中不存在，请求 A 读取数据时从数据库中查询到年龄为 20，在未写入缓存中时另一个请求 B 更新数据。它更新数据库中的年龄为 21，并且清空缓存。这时请求 A 把从数据库中读到的年龄为 20 的数据写入到缓存中。
    
    最终，该用户年龄在缓存中是 20（旧值），在数据库中是 21（新值），缓存和数据库数据不一致。
    
    从上面的理论上分析，先更新数据库，再删除缓存也是会出现数据不一致性的问题，但是在实际中，这个问题出现的概率并不高。
    
    因为缓存的写入通常要远远快于数据库的写入，所以在实际中很难出现请求 B 已经更新了数据库并且删除了缓存，请求 A 才更新完缓存的情况。
    
    而一旦请求 A 早于请求 B 删除缓存之前更新了缓存，那么接下来的请求就会因为缓存不命中而从数据库中重新读取数据，所以不会出现这种不一致的情况。
    
    所以，「先更新数据库 + 再删除缓存」的方案，是可以保证数据一致性的。
    
    为了确保万无一失，还可以给缓存数据加上了「过期时间」，就算在这期间存在缓存数据不一致，有过期时间来兜底，这样也能达到最终一致。
    
    问题：
    
    「先更新数据库，再删除缓存」其实是两个操作，前面的所有分析都是建立在这两个操作都能同时执行成功，但是删除缓存（第二个操作）的时候失败了，导致缓存中的数据是旧值。
    
    怎么解决？
    
    重试机制
    
    我们可以引入消息队列，将第二个操作（删除缓存）要操作的数据加入到消息队列，由消费者来操作数据。
    - 如果应用删除缓存失败，可以从消息队列中重新读取数据，然后再次删除缓存，这个就是重试机制。当然，如果重试超过的一定次数，还是没有成功，我们就需要向业务层发送报错信息了。
    - 如果删除缓存成功，就要把数据从消息队列中移除，避免重复操作，否则就继续重试。
      
      可能疑惑的点
      
      为什么是删除缓存，而不是更新缓存呢？
      
      删除一个数据，相比更新一个数据更加轻量级，出问题的概率更小。在实际业务中，缓存的数据可能不是直接来自数据库表，也许来自多张底层数据表的聚合。
      
      比如商品详情信息，在底层可能会关联商品表、价格表、库存表等，如果更新了一个价格字段，那么就要更新整个数据库，还要关联的去查询和汇总各个周边业务系统的数据，这个操作会非常耗时。从另外一个角度，不是所有的缓存数据都是频繁访问的，更新后的缓存可能会长时间不被访问，所以说，从计算资源和整体性能的考虑，更新的时候删除缓存，等到下次查询命中再填充缓存，是一个更好的方案。
      
      系统设计中有一个思想叫 Lazy Loading，适用于那些加载代价大的操作，删除缓存而不是更新缓存，就是懒加载思想的一个应用。