Posted by Jiefang's Blog on July 31, 2021

缓存面试题

以下面试题，基于网络整理，和自己编辑。具体参考的文章，会在文末给出所有的链接。

如果胖友有自己的疑问，欢迎在星球提问，我们一起整理吊吊的【缓存】面试题的大保健。

而题目的难度，艿艿尽量按照从容易到困难的顺序，逐步下去。

另外，本文只分享通用的【缓存】的面试题，关于 Redis、MemCache 会单独分享。

再另外，本文【缓存】指的更多的是分布式缓存服务，而不是 HTTP 缓存等等。

再再另外，强烈推荐购买 《Redis 开发与运维》 ，真心不错，可以完完整整 Redis 。

什么是缓存？

艿艿：这个问题，理解即可。

缓存，就是数据交换的缓冲区，针对服务对象的不同（本质就是不同的硬件）都可以构建缓存。

目的是，把读写速度【慢】的介质的数据保存在读写速度【快】的介质中，从而提高读写速度，减少时间消耗。例如：

  • CPU 高速缓存 ：高速缓存的读写速度远高于内存。
    • CPU 读数据时，如果在高速缓存中找到所需数据，就不需要读内存
    • CPU 写数据时，先写到高速缓存，再回写到内存。
  • 磁盘缓存：磁盘缓存其实就把常用的磁盘数据保存在内存中，内存读写速度也是远高于磁盘的。
    • 读数据，时从内存读取。
    • 写数据时，可先写到内存，定时或定量回写到磁盘，或者是同步回写。

在 《CPU 内存访问速度，磁盘和网络速度，所有人都应该知道的数字》 中，胖友可以更好的理解不同介质的速度。

为什么要用缓存？

正如在 「什么是缓存？」 问题中所看到的，使用缓存的目的，就是提升读写性能。而实际业务场景下，更多的是为了提升读性能，带来更好的性能，更高的并发量。

日常业务中，我们使用比较多的数据库是 MySQL ，缓存是 Redis 。一起来看看，阿里云提供的性能规格：

  • Redis 性能规格，https://help.aliyun.com/document_detail/26350.html 。打底 8W QPS ，最高可达千万 QPS 。
  • MySQL 性能规格 https://help.aliyun.com/document_detail/53637.html 。打底 1.4K QPS ，最高 7W QPS 。

艿艿自己，也分别进行了下 Redis 和 MySQL 的基准测试，感兴趣的胖友，可以看看，甚至自己上手玩玩。

如此一比较，Redis 比 MySQL 的读写性能好很多。那么，我们将 MySQL 的热点数据，缓存到 Redis 中，提升读取性能，也减小 MySQL 的读取压力。例如说：

  • 论坛帖子的访问频率比较高，且要实时更新阅读量，使用 Redis 记录帖子的阅读量，可以提升性能和并发。
  • 商品信息，数据更新的频率不高，但是读取的频率很高，特别是热门商品。

请说说有哪些缓存算法？是否能手写一下 LRU 代码的实现？

🦅 缓存算法

缓存算法，比较常见的是三种：

  • LRU（least recently used ，最近最少使用)
  • LFU（Least Frequently used ，最不经常使用)
  • FIFO（first in first out ，先进先出)

完整的话，胖友可以看看 《缓存、缓存算法和缓存框架简介》 的 「缓存算法」 部分。

🦅 手写 LRU 代码的实现

手写 LRU 代码的实现，有多种方式。其中，最简单的是基于 LinkedHashMap 来实现，代码如下：

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class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private final int CACHE_SIZE;

    /**
     * 传递进来最多能缓存多少数据
     *
     * @param cacheSize 缓存大小
     */
    public LRUCache(int cacheSize) {
        // true 表示让 LinkedHashMap 按照访问顺序来进行排序，最近访问的放在头部，最老访问的放在尾部。
        super((int) Math.ceil(cacheSize / 0.75) + 1, 0.75f, true);
        CACHE_SIZE = cacheSize;
    }

    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        // 当 map 中的数据量大于指定的缓存个数的时候，就自动删除最老的数据。
        return size() > CACHE_SIZE;
    }

}

其它更复杂，更能体现个人编码能力的 LRU 实现方式，可以看看如下两篇文章：

常见的常见的缓存工具和框架有哪些？

在 Java 后端开发中，常见的缓存工具和框架列举如下：

  • 本地缓存：Guava LocalCache、Ehcache、Caffeine 。
    • Ehcache 的功能更加丰富，Caffeine 的性能要比 Guava LocalCache 好。
  • 分布式缓存：Redis、Memcached、Tair 。
    • Redis 最为主流和常用。

用了缓存之后，有哪些常见问题？

常见的问题，可列举如下：

  • 写入问题
    • 缓存何时写入？并且写时如何避免并发重复写入？
    • 缓存如何失效？
    • 缓存和 DB 的一致性如何保证？
  • 经典三连问
    • 如何避免缓存穿透的问题？
    • 如何避免缓存击穿的问题？
    • 如果避免缓存雪崩的问题？

艿艿：重点可以去“记”加粗的六个词。

下面，我们会对每个问题，逐步解析。

当查询缓存报错，怎么提高可用性？

缓存可以极大的提高查询性能，但是缓存数据丢失和缓存不可用不能影响应用的正常工作。

因此，一般情况下，如果缓存出现异常，需要手动捕获这个异常，并且记录日志，并且从数据库查询数据返回给用户，而不应该导致业务不可用。

当然，这样做可能会带来缓存雪崩的问题。具体怎么解决，可以看看本文 「如何避免缓存”雪崩”的问题？」 问题。

如果避免缓存”穿透”的问题？

🦅 缓存穿透

缓存穿透，是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写，并且处于容错考虑，如果从 DB 查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到 DB 去查询，失去了缓存的意义。

被动写：当从缓存中查不到数据时，然后从数据库查询到该数据，写入该数据到缓存中。

在流量大时，可能 DB 就挂掉了，要是有人利用不存在的 key 频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。如下图：缓存穿透缓存穿透

  • 在 「为什么要用缓存？」 中，我们已经看到，MySQL 的性能是远不如 Redis 的，如果大量的请求直接打到 MySQL ，则会直接打挂 MySQL 。
  • 当然，缓存穿透不一定是攻击，也可能是我们自己程序写的问题，疯狂读取不存在的数据，又或者“无脑”的爬虫，顺序爬取数据。
  • 另外，一定要注意，缓存穿透，指的是查询一个不存在的数据，很容器和我们要讲到的缓存击穿搞混淆。

🦅 如何解决

有两种方案可以解决：

1）方案一，缓存空对象。

当从 DB 查询数据为空，我们仍然将这个空结果进行缓存，具体的值需要使用特殊的标识，能和真正缓存的数据区分开。另外，需要设置较短的过期时间，一般建议不要超过 5 分钟。

为什么要较短的过期时间？因为缓存久没有意义，也浪费缓存的内存。

2）方案二，BloomFilter 布隆过滤器。

在缓存服务的基础上，构建 BloomFilter 数据结构，在 BloomFilter 中存储对应的 KEY 是否存在，如果存在，说明该 KEY 对应的值不为空。那么整个逻辑的如下：

  • 1、根据 KEY 查询【BloomFilter 缓存】。如果不存在对应的值，直接返回；如果存在，继续向下执行。【后续的流程，就是标准的流程】
  • 2、根据 KEY 查询在【数据缓存】的值。如果存在值，直接返回；如果不存在值，继续向下执行。
  • 3、查询 DB 对应的值，如果存在，则更新到缓存，并返回该值。

可能有胖友不是很了解 BloomFilter 布隆过滤器，会有疑惑，为什么 BloomFilter 不存储 KEY 是不存在的情况（就是我们方案二反过来）？

  • BloomFilter 存在误判。简单来说，存在的不一定存在，不存在的一定不存在。这样就会导致，一个存在的 KEY 被误判成不存在。
  • 同时，BloomFilter 不允许删除。例如说，一个 KEY 一开始是不存在的，后来数据新增了，但是 BloomFilter 不允许删除的特点，就会导致一直会被判断成不存在。

当然，使用 BloomFilter 布隆过滤器的话，需要提前将已存在的 KEY ，初始化存储到【BloomFilter 缓存】中。

🦅 选择

这两个方案，各有其优缺点。

  缓存空对象 BloomFilter 布隆过滤器
适用场景 1、数据命中不高 2、保证一致性 1、数据命中不高 2、数据相对固定、实时性低
维护成本 1、代码维护简单 2、需要过多的缓存空间 3、数据不一致 1、代码维护复杂 2、缓存空间占用小

实际情况下，使用方案二比较多。因为，相比方案一来说，更加节省内容，对缓存的负荷更小。

注意，常用的缓存 Redis 默认不支持 BloomFilter 数据结构。具体怎么解决，参考如下文章：

艿艿的遐想：因为 BloomFilter 布隆过滤器存在的误判的情况，如果最后去 DB 查询不到数据的情况，是不是可以结合方案一，缓存空对象到【BloomFilter 缓存】中。后来想想，必要性不大，因为 BloomFilter 布隆过滤器误判率很低，没必要把方案复杂化，大道至简。

另外，推荐看下 《Redis架构之防雪崩设计：网站不宕机背后的兵法》 文章的 「一、缓存穿透预防及优化」 ，大神解释的更好，且提供相应的图和伪代码。

如何避免缓存”雪崩”的问题？

🦅 缓存雪崩

缓存雪崩，是指缓存由于某些原因无法提供服务( 例如，缓存挂掉了 )，所有请求全部达到 DB 中，导致 DB 负荷大增，最终挂掉的情况。

🦅 如何解决

预防和解决缓存雪崩的问题，可以从以下多个方面进行共同着手。

1）缓存高可用

通过搭建缓存的高可用，避免缓存挂掉导致无法提供服务的情况，从而降低出现缓存雪崩的情况。

假设我们使用 Redis 作为缓存，则可以使用 Redis Sentinel 或 Redis Cluster 实现高可用。

2）本地缓存

如果使用本地缓存时，即使分布式缓存挂了，也可以将 DB 查询到的结果缓存到本地，避免后续请求全部到达 DB 中。

当然，引入本地缓存也会有相应的问题，例如说：

  • 本地缓存的实时性怎么保证？
    • 方案一，可以引入消息队列。在数据更新时，发布数据更新的消息；而进程中有相应的消费者消费该消息，从而更新本地缓存。
    • 方案二，设置较短的过期时间，请求时从 DB 重新拉取。
    • 方案三，使用 「如果避免缓存”击穿”的问题？」 问题的【方案二】，手动过期。
  • 每个进程可能会本地缓存相同的数据，导致数据浪费？
    • 方案一，需要配置本地缓存的过期策略和缓存数量上限。

艿艿：上述的几个方案写的有点笼统，如果有不理解的地方，请在星球给艿艿留言。

如果我们使用 JVM ，则可以使用 Ehcache、Guava Cache 实现本地缓存的功能。

3）请求 DB 限流

通过限制 DB 的每秒请求数，避免把 DB 也打挂了。这样至少能有两个好处：

  1. 可能有一部分用户，还可以使用，系统还没死透。
  2. 未来缓存服务恢复后，系统立即就已经恢复，无需再处理 DB 也挂掉的情况。

当然，被限流的请求，我们最好也要有相应的处理，走【服务降级】，提供一些默认的值，或者友情提示，甚至空白的值也行。

如果我们使用 Java ，则可以使用 Guava RateLimiter、Sentinel、Hystrix 实现限流的功能。

4）提前演练

在项目上线前，演练缓存宕掉后，应用以及后端的负载情况以及可能出现的问题，在此基础上做一些预案设定。

另外，推荐看下 《Redis架构之防雪崩设计：网站不宕机背后的兵法》 文章的 「二、缓存雪崩问题优化」 ，大神解释的更好，且提供相应的图和伪代码。

如果避免缓存”击穿”的问题？

🦅 缓存击穿

缓存击穿，是指某个极度“热点”数据在某个时间点过期时，恰好在这个时间点对这个 KEY 有大量的并发请求过来，这些请求发现缓存过期一般都会从 DB 加载数据并回设到缓存，但是这个时候大并发的请求可能会瞬间 DB 压垮。

  • 对于一些设置了过期时间的 KEY ，如果这些 KEY 可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑这个问题。
  • 区别：
    • 和缓存“雪崩“”的区别在于，前者针对某一 KEY 缓存，后者则是很多 KEY 。
    • 和缓存“穿透“”的区别在于，这个 KEY 是真实存在对应的值的。

🦅 如何解决

有两种方案可以解决：

1）方案一，使用互斥锁。

请求发现缓存不存在后，去查询 DB 前，使用分布式锁，保证有且只有一个线程去查询 DB ，并更新到缓存。流程如下：

  • 1、获取分布式锁，直到成功或超时。如果超时，则抛出异常，返回。如果成功，继续向下执行。
  • 2、获取缓存。如果存在值，则直接返回；如果不存在，则继续往下执行。😈 因为，获得到锁，可能已经被“那个”线程去查询过 DB ，并更新到缓存中了。
  • 3、查询 DB ，并更新到缓存中，返回值。

2）方案二，手动过期。

缓存上从不设置过期时间，功能上将过期时间存在 KEY 对应的 VALUE 里。流程如下：

  • 1、获取缓存。通过 VALUE 的过期时间，判断是否过期。如果未过期，则直接返回；如果已过期，继续往下执行。
  • 2、通过一个后台的异步线程进行缓存的构建，也就是“手动”过期。通过后台的异步线程，保证有且只有一个线程去查询 DB。
  • 3、同时，虽然 VALUE 已经过期，还是直接返回。通过这样的方式，保证服务的可用性，虽然损失了一定的时效性。

🦅 选择

这两个方案，各有其优缺点。

  使用互斥锁 手动过期
优点 1、思路简单 2、保证一致性 1、性价最佳，用户无需等待
缺点 1、代码复杂度增大 2、存在死锁的风险 1、无法保证缓存一致性

具体使用哪一种方案，胖友可以根据自己的业务场景去做选择。

另外，推荐看下 《Redis 架构之防雪崩设计：网站不宕机背后的兵法》 文章的 「三、缓存热点 key 重建优化」 ，大神解释的更好，且提供相应的图和伪代码。

缓存和 DB 的一致性如何保证？

🦅 产生原因

主要有两种情况，会导致缓存和 DB 的一致性问题：

  1. 并发的场景下，导致读取老的 DB 数据，更新到缓存中。

    这里，主要指的是，更新 DB 数据之前，先删除 Cache 的数据。在低并发量下没什么问题，但是在高并发下，就会存在问题。在(删除 Cache 的数据, 和更新 DB 数据)时间之间，恰好有一个请求，我们如果使用被动读，因为此时 DB 数据还是老的，又会将老的数据写入到 Cache 中。

  2. 缓存和 DB 的操作，不在一个事务中，可能只有一个 DB 操作成功，而另一个 Cache 操作失败，导致不一致。

当然，有一点我们要注意，缓存和 DB 的一致性，我们指的更多的是最终一致性。我们使用缓存只要是提高读操作的性能，真正在写操作的业务逻辑，还是以数据库为准。例如说，我们可能缓存用户钱包的余额在缓存中，在前端查询钱包余额时，读取缓存，在使用钱包余额时，读取数据库。

🦅 解决方案

在开始说解决方案之前，胖友先看看如下几篇文章，可能有一丢丢多，保持耐心。

下面，我们就来看看几种方案。当然无论哪种方案，比较重要的就是解决两个问题：

  • 1、将缓存可能存在的并行写，实现串行写。

    注意，这里指的是缓存的并行写。在被动读中，如果缓存不存在，也存在写。

  • 2、实现数据的最终一致性。

1）先淘汰缓存，再写数据库

因为先淘汰缓存，所以数据的最终一致性是可以得到有效的保证的。为什么呢？先淘汰缓存，即使写数据库发生异常，也就是下次缓存读取时，多读取一次数据库。

但是，这种方案会存在缓存和 DB 的数据会不一致的情况，《缓存与数据库一致性优化》 已经说了。

那么，我们需要解决缓存并行写，实现串行写。比较简单的方式，引入分布式锁。

  • 在写请求时，先淘汰缓存之前，先获取该分布式锁。
  • 在读请求时，发现缓存不存在时，先获取分布式锁。

这样，缓存的并行写就成功的变成串行写落。实际上，就是 「如果避免缓存”击穿”的问题？」 的【方案一】互斥锁的加强版。

整体执行，如下草图：

艿艿：临时手绘，不要打我。字很丑，哈哈哈哈。

草图草图

  • 写请求时，是否主动更新缓存，根据自己业务的需要，是否有，都没问题。

2）先写数据库，再更新缓存

按照“先写数据库，再更新缓存”，我们要保证 DB 和缓存的操作，能够在“同一个事务”中，从而实现最终一致性。

基于定时任务来实现

  • 首先，写入数据库。
  • 然后，在写入数据库所在的事务中，插入一条记录到任务表。该记录会存储需要更新的缓存 KEY 和 VALUE 。
  • 【异步】最后，定时任务每秒扫描任务表，更新到缓存中，之后删除该记录。

基于消息队列来实现

  • 首先，写入数据库。
  • 然后，发送带有缓存 KEY 和 VALUE 的事务消息。此时，需要有支持事务消息特性的消息队列，或者我们自己封装消息队列，支持事务消息。
  • 【异步】最后，消费者消费该消息，更新到缓存中。

这两种方式，可以进一步优化，可以先尝试更新缓存，如果失败，则插入任务表，或者事务消息。

另外，极端情况下，如果并发写执行时，先更新成功 DB 的，结果后更新缓存，如下图所示：草图草图

艿艿：灵魂画手，哈哈哈哈。

  • 理论来说，希望的更新缓存顺序是，线程 1 快于线程 2 ，但是实际线程1 晚于线程 2 ，导致数据不一致。
  • 可能胖友会说，图中不是基于定时任务或消息队列来实现异步更新缓存啊？答案是一直的，如果网络抖动，导致【插入任务表，或者事务消息】的顺序不一致。
  • 那么怎么解决呢？需要做如下三件事情：
    • 1、在缓存值中，拼接上数据版本号或者时间戳。例如说：value = {value: 原值, version: xxx} 。
    • 2、在任务表的记录，或者事务消息中，增加上数据版本号或者时间戳的字段。
    • 3、在定时任务或消息队列执行更新缓存时，先读取缓存，对比版本号或时间戳，大于才进行更新。😈 当然，此处也会有并发问题，所以还是得引入分布式锁或 CAS 操作。

3）基于数据库的 binlog 日志

艿艿：如下内容，引用自 《技术专题讨论第五期：论系统架构设计中缓存的重要性》 文章，超哥对这个问题的回答。

binlog 方案binlog 方案

  • 应用直接写数据到数据库中。
  • 数据库更新binlog日志。
  • 利用Canal中间件读取binlog日志。
  • Canal借助于限流组件按频率将数据发到MQ中。
  • 应用监控MQ通道，将MQ的数据更新到Redis缓存中。

可以看到这种方案对研发人员来说比较轻量，不用关心缓存层面，而且这个方案虽然比较重，但是却容易形成统一的解决方案。

当然，以上种种方案，各有其复杂性，如果胖友心里没底，还是仅仅使用如下任一方案：

  • “先淘汰缓存，再写数据库”的方案，并且无需引入分布式锁。

    沈剑大佬，比较支持这种方案，见 《缓存架构设计细节二三事》 。

  • “先写数据库，再更新缓存”的方案，并且无需引入定时任务或者消息队列。

    左耳朵耗子，比较支持这种方案，《缓存更新的套路》。

原因如下：

FROM 基友老梁的总结

使用缓存过程中，经常会遇到缓存数据的不一致性和脏读现象。一般情况下，采取缓存双淘汰机制，在更新数据库的前淘汰缓存。此外，设定超时时间，例如三十分钟。

极端场景下，即使有脏数据进入缓存，这个脏数据也最存在一段时间后自动销毁。

  • 重点，是最后一句话哟。
  • 真的，和几个朋友沟通了下，真的出现不一致的情况，靠缓存过期后，重新从 DB 中读取即可。

另外，在 DB 主从架构下，方案会更加复杂。详细可以看看 《主从 DB 与 cache 一致性优化》 。

艿艿：这是一道相对复杂的问题，重点在于理解为什么产生不一致的原因，然后针对这个原因去解决。

什么是缓存预热？如何实现缓存预热？

🦅 缓存预热

在刚启动的缓存系统中，如果缓存中没有任何数据，如果依靠用户请求的方式重建缓存数据，那么对数据库的压力非常大，而且系统的性能开销也是巨大的。

此时，最好的策略是启动时就把热点数据加载好。这样，用户请求时，直接读取的就是缓存的数据，而无需去读取 DB 重建缓存数据。

举个例子，热门的或者推荐的商品，需要提前预热到缓存中。

🦅 如何实现

一般来说，有如下几种方式来实现：

  1. 数据量不大时，项目启动时，自动进行初始化。
  2. 写个修复数据脚本，手动执行该脚本。
  3. 写个管理界面，可以手动点击，预热对应的数据到缓存中。

缓存数据的淘汰策略有哪些？

除了缓存服务器自带的缓存自动失效策略之外，我们还可以根据具体的业务需求进行自定义的“手动”缓存淘汰，常见的策略有两种：

  • 1、定时去清理过期的缓存。
  • 2、当有用户请求过来时，再判断这个请求所用到的缓存是否过期，过期的话就去底层系统得到新数据并更新缓存。

两者各有优劣，第一种的缺点是维护大量缓存的 key 是比较麻烦的，第二种的缺点就是每次用户请求过来都要判断缓存失效，逻辑相对比较复杂！ 具体用哪种方案，大家可以根据自己的应用场景来权衡。

缓存如何存储 POJO 对象？

实际场景下，缓存值可能是一个 POJO 对象，就需要考虑如何 POJO 对象存储的问题。目前有两种方式：

不过对于 Redis 来说，大多数情况下，会考虑使用 JSON 序列化的方案。想要深入的胖友，可以看看如下两篇文章，很有趣：

666. 彩蛋

参考与推荐如下文章：

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