多级缓存

1.什么是多级缓存

传统的缓存策略一般是请求到达Tomcat后，先查询Redis，如果未命中则查询数据库，如图：

存在下面的问题：

•请求要经过Tomcat处理，Tomcat的性能成为整个系统的瓶颈

•Redis缓存失效时，会对数据库产生冲击

多级缓存就是充分利用请求处理的每个环节，分别添加缓存，减轻Tomcat压力，提升服务性能：

  • 浏览器访问静态资源时，优先读取浏览器本地缓存
  • 访问非静态资源（ajax查询数据）时，访问服务端
  • 请求到达Nginx后，优先读取Nginx本地缓存
  • 如果Nginx本地缓存未命中，则去直接查询Redis（不经过Tomcat）
  • 如果Redis查询未命中，则查询Tomcat
  • 请求进入Tomcat后，优先查询JVM进程缓存
  • 如果JVM进程缓存未命中，则查询数据库

在多级缓存架构中，Nginx内部需要编写本地缓存查询、Redis查询、Tomcat查询的业务逻辑，因此这样的nginx服务不再是一个反向代理服务器，而是一个编写业务的Web服务器了。

因此这样的业务Nginx服务也需要搭建集群来提高并发，再有专门的nginx服务来做反向代理，如图：

另外，我们的Tomcat服务将来也会部署为集群模式：

可见，多级缓存的关键有两个：

  • 一个是在nginx中编写业务，实现nginx本地缓存、Redis、Tomcat的查询

  • 另一个就是在Tomcat中实现JVM进程缓存

其中Nginx编程则会用到OpenResty框架结合Lua这样的语言。

这也是今天课程的难点和重点。

2.JVM进程缓存

为了演示多级缓存的案例，我们先准备一个商品查询的业务。

2.1.导入案例

参考课前资料的：《案例导入说明.md》

2.2.初识Caffeine

缓存在日常开发中启动至关重要的作用，由于是存储在内存中，数据的读取速度是非常快的，能大量减少对数据库的访问，减少数据库的压力。我们把缓存分为两类：

  • 分布式缓存，例如Redis：
    • 优点：存储容量更大、可靠性更好、可以在集群间共享
    • 缺点：访问缓存有网络开销
    • 场景：缓存数据量较大、可靠性要求较高、需要在集群间共享
  • 进程本地缓存，例如HashMap、GuavaCache：
    • 优点：读取本地内存，没有网络开销，速度更快
    • 缺点：存储容量有限、可靠性较低、无法共享
    • 场景：性能要求较高，缓存数据量较小

我们今天会利用Caffeine框架来实现JVM进程缓存。

Caffeine是一个基于Java8开发的，提供了近乎最佳命中率的高性能的本地缓存库。目前Spring内部的缓存使用的就是Caffeine。GitHub地址：https://github/ben-manes/caffeine

Caffeine的性能非常好，下图是官方给出的性能对比：

可以看到Caffeine的性能遥遥领先！

缓存使用的基本API：

@Test
void testBasicOps() {
    // 构建cache对象
    Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder().build();

    // 存数据
    cache.put("gf", "迪丽热巴");

    // 取数据
    String gf = cache.getIfPresent("gf");
    System.out.println("gf = " + gf);

    // 取数据，包含两个参数：
    // 参数一：缓存的key
    // 参数二：Lambda表达式，表达式参数就是缓存的key，方法体是查询数据库的逻辑
    // 优先根据key查询JVM缓存，如果未命中，则执行参数二的Lambda表达式
    String defaultGF = cache.get("defaultGF", key -> {
        // 根据key去数据库查询数据
        return "柳岩";
    });
    System.out.println("defaultGF = " + defaultGF);
}

Caffeine既然是缓存的一种，肯定需要有缓存的清除策略，不然的话内存总会有耗尽的时候。

Caffeine提供了三种缓存驱逐策略：

  • 基于容量：设置缓存的数量上限

    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    .maximumSize(1) // 设置缓存大小上限为 1
    .build();

  • 基于时间：设置缓存的有效时间

    // 创建缓存对象
Cache<String, String> cache = Caffeine.newBuilder()
    // 设置缓存有效期为 10 秒，从最后一次写入开始计时 
    .expireAfterWrite(Duration.ofSeconds(10)) 
    .build();

  • 基于引用：设置缓存为软引用或弱引用，利用GC来回收缓存数据。性能较差，不建议使用。

注意：在默认情况下，当一个缓存元素过期的时候，Caffeine不会自动立即将其清理和驱逐。而是在一次读或写操作后，或者在空闲时间完成对失效数据的驱逐。

2.3.实现JVM进程缓存

2.3.1.需求

利用Caffeine实现下列需求：

  • 给根据id查询商品的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库
  • 给根据id查询商品库存的业务添加缓存，缓存未命中时查询数据库
  • 缓存初始大小为100
  • 缓存上限为10000

2.3.2.实现

首先，我们需要定义两个Caffeine的缓存对象，分别保存商品、库存的缓存数据。

在item-service的com.heima.item.config包下定义CaffeineConfig类：

package com.heima.item.config;

import com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache;
import com.github.benmanes.caffeine.cache.Caffeine;
import com.heima.item.pojo.Item;
import com.heima.item.pojo.ItemStock;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration
public class CaffeineConfig {

    @Bean
    public Cache<Long, Item> itemCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }

    @Bean
    public Cache<Long, ItemStock> stockCache(){
        return Caffeine.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(10_000)
                .build();
    }
}

然后，修改item-service中的com.heima.item.web包下的ItemController类，添加缓存逻辑：

@RestController
@RequestMapping("item")
public class ItemController {

    @Autowired
    private IItemService itemService;
    @Autowired
    private IItemStockService stockService;

    @Autowired
    private Cache<Long, Item> itemCache;
    @Autowired
    private Cache<Long, ItemStock> stockCache;
    
    // ...其它略
    
    @GetMapping("/{id}")
    public Item findById(@PathVariable("id") Long id) {
        return itemCache.get(id, key -> itemService.query()
                .ne("status", 3).eq("id", key)
                .one()
        );
    }

    @GetMapping("/stock/{id}")
    public ItemStock findStockById(@PathVariable("id") Long id) {
        return stockCache.get(id, key -> stockService.getById(key));
    }
}

3.Lua语法入门

Nginx编程需要用到Lua语言，因此我们必须先入门Lua的基本语法。

3.1.初识Lua

Lua 是一种轻量小巧的脚本语言，用标准C语言编写并以源代码形式开放， 其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。官网：https://www.lua/

Lua经常嵌入到C语言开发的程序中，例如游戏开发、游戏插件等。

Nginx本身也是C语言开发，因此也允许基于Lua做拓展。

3.1.HelloWorld

CentOS7默认已经安装了Lua语言环境，所以可以直接运行Lua代码。

1）在Linux虚拟机的任意目录下，新建一个hello.lua文件

2）添加下面的内容

print("Hello World!")

3）运行

3.2.变量和循环

学习任何语言必然离不开变量，而变量的声明必须先知道数据的类型。

3.2.1.Lua的数据类型

Lua中支持的常见数据类型包括：

另外，Lua提供了type()函数来判断一个变量的数据类型：

3.2.2.声明变量

Lua声明变量的时候无需指定数据类型，而是用local来声明变量为局部变量：

-- 声明字符串，可以用单引号或双引号，
local str = 'hello'
-- 字符串拼接可以使用 ..
local str2 = 'hello' .. 'world'
-- 声明数字
local num = 21
-- 声明布尔类型
local flag = true

Lua中的table类型既可以作为数组，又可以作为Java中的map来使用。数组就是特殊的table，key是数组角标而已：

-- 声明数组 ，key为角标的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 声明table，类似java的map
local map =  {name='Jack', age=21}

Lua中的数组角标是从1开始，访问的时候与Java中类似：

-- 访问数组，lua数组的角标从1开始
print(arr[1])

Lua中的table可以用key来访问：

-- 访问table
print(map['name'])
print(map.name)

3.2.3.循环

对于table，我们可以利用for循环来遍历。不过数组和普通table遍历略有差异。

遍历数组：

-- 声明数组 key为索引的 table
local arr = {'java', 'python', 'lua'}
-- 遍历数组
for index,value in ipairs(arr) do
    print(index, value) 
end

遍历普通table

-- 声明map，也就是table
local map = {name='Jack', age=21}
-- 遍历table
for key,value in pairs(map) do
   print(key, value) 
end

3.3.条件控制、函数

Lua中的条件控制和函数声明与Java类似。

3.3.1.函数

定义函数的语法：

function 函数名( argument1, argument2..., argumentn)
    -- 函数体
    return 返回值
end

例如，定义一个函数，用来打印数组：

function printArr(arr)
    for index, value in ipairs(arr) do
        print(value)
    end
end

3.3.2.条件控制

类似Java的条件控制，例如if、else语法：

if(布尔表达式)
then
   --[ 布尔表达式为 true 时执行该语句块 --]
else
   --[ 布尔表达式为 false 时执行该语句块 --]
end

与java不同，布尔表达式中的逻辑运算是基于英文单词：

3.3.3.案例

需求：自定义一个函数，可以打印table，当参数为nil时，打印错误信息

function printArr(arr)
    if not arr then
        print('数组不能为空！')
    end
    for index, value in ipairs(arr) do
        print(value)
    end
end

4.实现多级缓存

多级缓存的实现离不开Nginx编程，而Nginx编程又离不开OpenResty。

4.1.安装OpenResty

OpenResty® 是一个基于 Nginx的高性能 Web 平台，用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。具备下列特点：

  • 具备Nginx的完整功能
  • 基于Lua语言进行扩展，集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块
  • 允许使用Lua自定义业务逻辑、自定义库

官方网站： https://openresty/cn/

安装Lua可以参考课前资料提供的《安装OpenResty.md》：

4.2.OpenResty快速入门

我们希望达到的多级缓存架构如图：

其中：

  • windows上的nginx用来做反向代理服务，将前端的查询商品的ajax请求代理到OpenResty集群

  • OpenResty集群用来编写多级缓存业务

4.2.1.反向代理流程

现在，商品详情页使用的是假的商品数据。不过在浏览器中，可以看到页面有发起ajax请求查询真实商品数据。

这个请求如下：

请求地址是localhost，端口是80，就被windows上安装的Nginx服务给接收到了。然后代理给了OpenResty集群：

我们需要在OpenResty中编写业务，查询商品数据并返回到浏览器。

但是这次，我们先在OpenResty接收请求，返回假的商品数据。

4.2.2.OpenResty监听请求

OpenResty的很多功能都依赖于其目录下的Lua库，需要在nginx.conf中指定依赖库的目录，并导入依赖：

1）添加对OpenResty的Lua模块的加载

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在其中的http下面，添加下面代码：

#lua 模块
lua_package_path "/usr/local/openresty/lualib/?.lua;;";
#c模块     
lua_package_cpath "/usr/local/openresty/lualib/?.so;;";

2）监听/api/item路径

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，在nginx.conf的server下面，添加对/api/item这个路径的监听：

location  /api/item {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

这个监听，就类似于SpringMVC中的@GetMapping("/api/item")做路径映射。

而content_by_lua_file lua/item.lua则相当于调用item.lua这个文件，执行其中的业务，把结果返回给用户。相当于java中调用service。

4.2.3.编写item.lua

1）在/usr/loca/openresty/nginx目录创建文件夹：lua

2）在/usr/loca/openresty/nginx/lua文件夹下，新建文件：item.lua

3）编写item.lua，返回假数据

item.lua中，利用ngx.say()函数返回数据到Response中

ngx.say('{"id":10001,"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

4）重新加载配置

nginx -s reload

刷新商品页面：http://localhost/item.html?id=1001，即可看到效果：

4.3.请求参数处理

上一节中，我们在OpenResty接收前端请求，但是返回的是假数据。

要返回真实数据，必须根据前端传递来的商品id，查询商品信息才可以。

那么如何获取前端传递的商品参数呢？

4.3.1.获取参数的API

OpenResty中提供了一些API用来获取不同类型的前端请求参数：

4.3.2.获取参数并返回

在前端发起的ajax请求如图：

可以看到商品id是以路径占位符方式传递的，因此可以利用正则表达式匹配的方式来获取ID

1）获取商品id

修改/usr/loca/openresty/nginx/nginx.conf文件中监听/api/item的代码，利用正则表达式获取ID：

location ~ /api/item/(\d+) {
    # 默认的响应类型
    default_type application/json;
    # 响应结果由lua/item.lua文件来决定
    content_by_lua_file lua/item.lua;
}

2）拼接ID并返回

修改/usr/loca/openresty/nginx/lua/item.lua文件，获取id并拼接到结果中返回：

-- 获取商品id
local id = ngx.var[1]
-- 拼接并返回
ngx.say('{"id":' .. id .. ',"name":"SALSA AIR","title":"RIMOWA 21寸托运箱拉杆箱 SALSA AIR系列果绿色 820.70.36.4","price":17900,"image":"https://m.360buyimg/mobilecms/s720x720_jfs/t6934/364/1195375010/84676/e9f2c55f/597ece38N0ddcbc77.jpg!q70.jpg.webp","category":"拉杆箱","brand":"RIMOWA","spec":"","status":1,"createTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","updateTime":"2019-04-30T16:00:00.000+00:00","stock":2999,"sold":31290}')

3）重新加载并测试

运行命令以重新加载OpenResty配置：

nginx -s reload

刷新页面可以看到结果中已经带上了ID：

4.4.查询Tomcat

拿到商品ID后，本应去缓存中查询商品信息，不过目前我们还未建立nginx、redis缓存。因此，这里我们先根据商品id去tomcat查询商品信息。我们实现如图部分：

需要注意的是，我们的OpenResty是在虚拟机，Tomcat是在Windows电脑上。两者IP一定不要搞错了。

4.4.1.发送http请求的API

nginx提供了内部API用以发送http请求：

local resp = ngx.location.capture("/path",{
    method = ngx.HTTP_GET,   -- 请求方式
    args = {a=1,b=2},  -- get方式传参数
})

返回的响应内容包括：

  • resp.status：响应状态码
  • resp.header：响应头，是一个table
  • resp.body：响应体，就是响应数据

注意：这里的path是路径，并不包含IP和端口。这个请求会被nginx内部的server监听并处理。

但是我们希望这个请求发送到Tomcat服务器，所以还需要编写一个server来对这个路径做反向代理：

 location /path {
     # 这里是windows电脑的ip和Java服务端口，需要确保windows防火墙处于关闭状态
     proxy_pass http://192.168.150.1:8081; 
 }

原理如图：

4.4.2.封装http工具

下面，我们封装一个发送Http请求的工具，基于ngx.location.capture来实现查询tomcat。

1）添加反向代理，到windows的Java服务

因为item-service中的接口都是/item开头，所以我们监听/item路径，代理到windows上的tomcat服务。

修改 /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，添加一个location：

location /item {
    proxy_pass http://192.168.150.1:8081;
}

以后，只要我们调用ngx.location.capture("/item")，就一定能发送请求到windows的tomcat服务。

2）封装工具类

之前我们说过，OpenResty启动时会加载以下两个目录中的工具文件：

所以，自定义的http工具也需要放到这个目录下。

在/usr/local/openresty/lualib目录下，新建一个common.lua文件：

vi /usr/local/openresty/lualib/common.lua

内容如下:

-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
    local resp = ngx.location.capture(path,{
        method = ngx.HTTP_GET,
        args = params,
    })
    if not resp then
        -- 记录错误信息，返回404
        ngx.log(ngx.ERR, "http请求查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
        ngx.exit(404)
    end
    return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http
}  
return _M

这个工具将read_http函数封装到_M这个table类型的变量中，并且返回，这类似于导出。

使用的时候，可以利用require('common')来导入该函数库，这里的common是函数库的文件名。

3）实现商品查询

最后，我们修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，利用刚刚封装的函数库实现对tomcat的查询：

-- 引入自定义common工具模块，返回值是common中返回的 _M
local common = require("common")
-- 从 common中获取read_http这个函数
local read_http = common.read_http
-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)

这里查询到的结果是json字符串，并且包含商品、库存两个json字符串，页面最终需要的是把两个json拼接为一个json：

这就需要我们先把JSON变为lua的table，完成数据整合后，再转为JSON。

4.4.3.CJSON工具类

OpenResty提供了一个cjson的模块用来处理JSON的序列化和反序列化。

官方地址： https://github/openresty/lua-cjson/

1）引入cjson模块：

local cjson = require "cjson"

2）序列化：

local obj = {
    name = 'jack',
    age = 21
}
-- 把 table 序列化为 json
local json = cjson.encode(obj)

3）反序列化：

local json = '{"name": "jack", "age": 21}'
-- 反序列化 json为 table
local obj = cjson.decode(json);
print(obj.name)

4.4.4.实现Tomcat查询

下面，我们修改之前的item.lua中的业务，添加json处理功能：

-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')

-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]
-- 根据id查询商品
local itemJSON = read_http("/item/".. id, nil)
-- 根据id查询商品库存
local itemStockJSON = read_http("/item/stock/".. id, nil)

-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)

-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold

-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))

4.4.5.基于ID负载均衡

刚才的代码中，我们的tomcat是单机部署。而实际开发中，tomcat一定是集群模式：

因此，OpenResty需要对tomcat集群做负载均衡。

而默认的负载均衡规则是轮询模式，当我们查询/item/10001时：

  • 第一次会访问8081端口的tomcat服务，在该服务内部就形成了JVM进程缓存
  • 第二次会访问8082端口的tomcat服务，该服务内部没有JVM缓存（因为JVM缓存无法共享），会查询数据库
  • …

你看，因为轮询的原因，第一次查询8081形成的JVM缓存并未生效，直到下一次再次访问到8081时才可以生效，缓存命中率太低了。

怎么办？

如果能让同一个商品，每次查询时都访问同一个tomcat服务，那么JVM缓存就一定能生效了。

也就是说，我们需要根据商品id做负载均衡，而不是轮询。

1）原理

nginx提供了基于请求路径做负载均衡的算法：

nginx根据请求路径做hash运算，把得到的数值对tomcat服务的数量取余，余数是几，就访问第几个服务，实现负载均衡。

例如：

  • 我们的请求路径是 /item/10001
  • tomcat总数为2台（8081、8082）
  • 对请求路径/item/1001做hash运算求余的结果为1
  • 则访问第一个tomcat服务，也就是8081

只要id不变，每次hash运算结果也不会变，那就可以保证同一个商品，一直访问同一个tomcat服务，确保JVM缓存生效。

2）实现

修改/usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf文件，实现基于ID做负载均衡。

首先，定义tomcat集群，并设置基于路径做负载均衡：

upstream tomcat-cluster {
    hash $request_uri;
    server 192.168.150.1:8081;
    server 192.168.150.1:8082;
}

然后，修改对tomcat服务的反向代理，目标指向tomcat集群：

location /item {
    proxy_pass http://tomcat-cluster;
}

重新加载OpenResty

nginx -s reload

3）测试

启动两台tomcat服务：

同时启动：

清空日志后，再次访问页面，可以看到不同id的商品，访问到了不同的tomcat服务：

4.5.Redis缓存预热

Redis缓存会面临冷启动问题：

冷启动：服务刚刚启动时，Redis中并没有缓存，如果所有商品数据都在第一次查询时添加缓存，可能会给数据库带来较大压力。

缓存预热：在实际开发中，我们可以利用大数据统计用户访问的热点数据，在项目启动时将这些热点数据提前查询并保存到Redis中。

我们数据量较少，并且没有数据统计相关功能，目前可以在启动时将所有数据都放入缓存中。

1）利用Docker安装Redis

docker run --name redis -p 6379:6379 -d redis redis-server --appendonly yes

2）在item-service服务中引入Redis依赖

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

3）配置Redis地址

spring:
  redis:
    host: 192.168.150.101

4）编写初始化类

缓存预热需要在项目启动时完成，并且必须是拿到RedisTemplate之后。

这里我们利用InitializingBean接口来实现，因为InitializingBean可以在对象被Spring创建并且成员变量全部注入后执行。

package com.heima.item.config;

import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import com.heima.item.pojo.Item;
import com.heima.item.pojo.ItemStock;
import com.heima.item.service.IItemService;
import com.heima.item.service.IItemStockService;
import org.springframework.beans.factory.InitializingBean;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.List;

@Component
public class RedisHandler implements InitializingBean {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    @Autowired
    private IItemService itemService;
    @Autowired
    private IItemStockService stockService;

    private static final ObjectMapper MAPPER = new ObjectMapper();

    @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        // 初始化缓存
        // 1.查询商品信息
        List<Item> itemList = itemService.list();
        // 2.放入缓存
        for (Item item : itemList) {
            // 2.1.item序列化为JSON
            String json = MAPPER.writeValueAsString(item);
            // 2.2.存入redis
            redisTemplate.opsForValue().set("item:id:" + item.getId(), json);
        }

        // 3.查询商品库存信息
        List<ItemStock> stockList = stockService.list();
        // 4.放入缓存
        for (ItemStock stock : stockList) {
            // 2.1.item序列化为JSON
            String json = MAPPER.writeValueAsString(stock);
            // 2.2.存入redis
            redisTemplate.opsForValue().set("item:stock:id:" + stock.getId(), json);
        }
    }
}

4.6.查询Redis缓存

现在，Redis缓存已经准备就绪，我们可以再OpenResty中实现查询Redis的逻辑了。如下图红框所示：

当请求进入OpenResty之后：

  • 优先查询Redis缓存
  • 如果Redis缓存未命中，再查询Tomcat

4.6.1.封装Redis工具

OpenResty提供了操作Redis的模块，我们只要引入该模块就能直接使用。但是为了方便，我们将Redis操作封装到之前的common.lua工具库中。

修改/usr/local/openresty/lualib/common.lua文件：

1）引入Redis模块，并初始化Redis对象

-- 导入redis
local redis = require('resty.redis')
-- 初始化redis
local red = redis:new()
red:set_timeouts(1000, 1000, 1000)

2）封装函数，用来释放Redis连接，其实是放入连接池

-- 关闭redis连接的工具方法，其实是放入连接池
local function close_redis(red)
    local pool_max_idle_time = 10000 -- 连接的空闲时间，单位是毫秒
    local pool_size = 100 --连接池大小
    local ok, err = red:set_keepalive(pool_max_idle_time, pool_size)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "放入redis连接池失败: ", err)
    end
end

3）封装函数，根据key查询Redis数据

-- 查询redis的方法 ip和port是redis地址，key是查询的key
local function read_redis(ip, port, key)
    -- 获取一个连接
    local ok, err = red:connect(ip, port)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "连接redis失败 : ", err)
        return nil
    end
    -- 查询redis
    local resp, err = red:get(key)
    -- 查询失败处理
    if not resp then
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis失败: ", err, ", key = " , key)
    end
    --得到的数据为空处理
    if resp == ngx.null then
        resp = nil
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis数据为空, key = ", key)
    end
    close_redis(red)
    return resp
end

4）导出

-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http,
    read_redis = read_redis
}  
return _M

完整的common.lua：

-- 导入redis
local redis = require('resty.redis')
-- 初始化redis
local red = redis:new()
red:set_timeouts(1000, 1000, 1000)

-- 关闭redis连接的工具方法，其实是放入连接池
local function close_redis(red)
    local pool_max_idle_time = 10000 -- 连接的空闲时间，单位是毫秒
    local pool_size = 100 --连接池大小
    local ok, err = red:set_keepalive(pool_max_idle_time, pool_size)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "放入redis连接池失败: ", err)
    end
end

-- 查询redis的方法 ip和port是redis地址，key是查询的key
local function read_redis(ip, port, key)
    -- 获取一个连接
    local ok, err = red:connect(ip, port)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "连接redis失败 : ", err)
        return nil
    end
    -- 查询redis
    local resp, err = red:get(key)
    -- 查询失败处理
    if not resp then
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis失败: ", err, ", key = " , key)
    end
    --得到的数据为空处理
    if resp == ngx.null then
        resp = nil
        ngx.log(ngx.ERR, "查询Redis数据为空, key = ", key)
    end
    close_redis(red)
    return resp
end

-- 封装函数，发送http请求，并解析响应
local function read_http(path, params)
    local resp = ngx.location.capture(path,{
        method = ngx.HTTP_GET,
        args = params,
    })
    if not resp then
        -- 记录错误信息，返回404
        ngx.log(ngx.ERR, "http查询失败, path: ", path , ", args: ", args)
        ngx.exit(404)
    end
    return resp.body
end
-- 将方法导出
local _M = {  
    read_http = read_http,
    read_redis = read_redis
}  
return _M

4.6.2.实现Redis查询

接下来，我们就可以去修改item.lua文件，实现对Redis的查询了。

查询逻辑是：

  • 根据id查询Redis
  • 如果查询失败则继续查询Tomcat
  • 将查询结果返回

1）修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，添加一个查询函数：

-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 封装查询函数
function read_data(key, path, params)
    -- 查询本地缓存
    local val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
    -- 判断查询结果
    if not val then
        ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
        -- redis查询失败，去查询http
        val = read_http(path, params)
    end
    -- 返回数据
    return val
end

2）而后修改商品查询、库存查询的业务：

3）完整的item.lua代码：

-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')

-- 封装查询函数
function read_data(key, path, params)
    -- 查询本地缓存
    local val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
    -- 判断查询结果
    if not val then
        ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
        -- redis查询失败，去查询http
        val = read_http(path, params)
    end
    -- 返回数据
    return val
end

-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]

-- 查询商品信息
local itemJSON = read_data("item:id:" .. id,  "/item/" .. id, nil)
-- 查询库存信息
local stockJSON = read_data("item:stock:id:" .. id, "/item/stock/" .. id, nil)

-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)
-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold

-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))

4.7.Nginx本地缓存

现在，整个多级缓存中只差最后一环，也就是nginx的本地缓存了。如图：

4.7.1.本地缓存API

OpenResty为Nginx提供了shard dict的功能，可以在nginx的多个worker之间共享数据，实现缓存功能。

1）开启共享字典，在nginx.conf的http下添加配置：

 # 共享字典，也就是本地缓存，名称叫做：item_cache，大小150m
 lua_shared_dict item_cache 150m;

2）操作共享字典：

-- 获取本地缓存对象
local item_cache = ngx.shared.item_cache
-- 存储, 指定key、value、过期时间，单位s，默认为0代表永不过期
item_cache:set('key', 'value', 1000)
-- 读取
local val = item_cache:get('key')

4.7.2.实现本地缓存查询

1）修改/usr/local/openresty/lua/item.lua文件，修改read_data查询函数，添加本地缓存逻辑：

-- 导入共享词典，本地缓存
local item_cache = ngx.shared.item_cache

-- 封装查询函数
function read_data(key, expire, path, params)
    -- 查询本地缓存
    local val = item_cache:get(key)
    if not val then
        ngx.log(ngx.ERR, "本地缓存查询失败，尝试查询Redis， key: ", key)
        -- 查询redis
        val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
        -- 判断查询结果
        if not val then
            ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
            -- redis查询失败，去查询http
            val = read_http(path, params)
        end
    end
    -- 查询成功，把数据写入本地缓存
    item_cache:set(key, val, expire)
    -- 返回数据
    return val
end

2）修改item.lua中查询商品和库存的业务，实现最新的read_data函数：

其实就是多了缓存时间参数，过期后nginx缓存会自动删除，下次访问即可更新缓存。

这里给商品基本信息设置超时时间为30分钟，库存为1分钟。

因为库存更新频率较高，如果缓存时间过长，可能与数据库差异较大。

3）完整的item.lua文件：

-- 导入common函数库
local common = require('common')
local read_http = common.read_http
local read_redis = common.read_redis
-- 导入cjson库
local cjson = require('cjson')
-- 导入共享词典，本地缓存
local item_cache = ngx.shared.item_cache

-- 封装查询函数
function read_data(key, expire, path, params)
    -- 查询本地缓存
    local val = item_cache:get(key)
    if not val then
        ngx.log(ngx.ERR, "本地缓存查询失败，尝试查询Redis， key: ", key)
        -- 查询redis
        val = read_redis("127.0.0.1", 6379, key)
        -- 判断查询结果
        if not val then
            ngx.log(ngx.ERR, "redis查询失败，尝试查询http， key: ", key)
            -- redis查询失败，去查询http
            val = read_http(path, params)
        end
    end
    -- 查询成功，把数据写入本地缓存
    item_cache:set(key, val, expire)
    -- 返回数据
    return val
end

-- 获取路径参数
local id = ngx.var[1]

-- 查询商品信息
local itemJSON = read_data("item:id:" .. id, 1800,  "/item/" .. id, nil)
-- 查询库存信息
local stockJSON = read_data("item:stock:id:" .. id, 60, "/item/stock/" .. id, nil)

-- JSON转化为lua的table
local item = cjson.decode(itemJSON)
local stock = cjson.decode(stockJSON)
-- 组合数据
item.stock = stock.stock
item.sold = stock.sold

-- 把item序列化为json 返回结果
ngx.say(cjson.encode(item))

5.缓存同步

大多数情况下，浏览器查询到的都是缓存数据，如果缓存数据与数据库数据存在较大差异，可能会产生比较严重的后果。

所以我们必须保证数据库数据、缓存数据的一致性，这就是缓存与数据库的同步。

5.1.数据同步策略

缓存数据同步的常见方式有三种：

设置有效期：给缓存设置有效期，到期后自动删除。再次查询时更新

  • 优势：简单、方便
  • 缺点：时效性差，缓存过期之前可能不一致
  • 场景：更新频率较低，时效性要求低的业务

同步双写：在修改数据库的同时，直接修改缓存

  • 优势：时效性强，缓存与数据库强一致
  • 缺点：有代码侵入，耦合度高；
  • 场景：对一致性、时效性要求较高的缓存数据

**异步通知：**修改数据库时发送事件通知，相关服务监听到通知后修改缓存数据

  • 优势：低耦合，可以同时通知多个缓存服务
  • 缺点：时效性一般，可能存在中间不一致状态
  • 场景：时效性要求一般，有多个服务需要同步

而异步实现又可以基于MQ或者Canal来实现：

1）基于MQ的异步通知：

解读：

  • 商品服务完成对数据的修改后，只需要发送一条消息到MQ中。
  • 缓存服务监听MQ消息，然后完成对缓存的更新

依然有少量的代码侵入。

2）基于Canal的通知

解读：

  • 商品服务完成商品修改后，业务直接结束，没有任何代码侵入
  • Canal监听MySQL变化，当发现变化后，立即通知缓存服务
  • 缓存服务接收到canal通知，更新缓存

代码零侵入

5.2.安装Canal

5.2.1.认识Canal

Canal [kə’næl]，译意为水道/管道/沟渠，canal是阿里巴巴旗下的一款开源项目，基于Java开发。基于数据库增量日志解析，提供增量数据订阅&消费。GitHub的地址：https://github/alibaba/canal

Canal是基于mysql的主从同步来实现的，MySQL主从同步的原理如下：

  • 1）MySQL master 将数据变更写入二进制日志( binary log），其中记录的数据叫做binary log events
  • 2）MySQL slave 将 master 的 binary log events拷贝到它的中继日志(relay log)
  • 3）MySQL slave 重放 relay log 中事件，将数据变更反映它自己的数据

而Canal就是把自己伪装成MySQL的一个slave节点，从而监听master的binary log变化。再把得到的变化信息通知给Canal的客户端，进而完成对其它数据库的同步。

5.2.2.安装Canal

安装和配置Canal参考课前资料文档：

5.3.监听Canal

Canal提供了各种语言的客户端，当Canal监听到binlog变化时，会通知Canal的客户端。

我们可以利用Canal提供的Java客户端，监听Canal通知消息。当收到变化的消息时，完成对缓存的更新。

不过这里我们会使用GitHub上的第三方开源的canal-starter客户端。地址：https://github/NormanGyllenhaal/canal-client

与SpringBoot完美整合，自动装配，比官方客户端要简单好用很多。

5.3.1.引入依赖：

<dependency>
    <groupId>top.javatool</groupId>
    <artifactId>canal-spring-boot-starter</artifactId>
    <version>1.2.1-RELEASE</version>
</dependency>

5.3.2.编写配置：

canal:
  destination: heima # canal的集群名字，要与安装canal时设置的名称一致
  server: 192.168.150.101:11111 # canal服务地址

5.3.3.修改Item实体类

通过@Id、@Column、等注解完成Item与数据库表字段的映射：

package com.heima.item.pojo;

import com.baomidou.mybatisplus.annotation.IdType;
import com.baomidou.mybatisplus.annotation.TableField;
import com.baomidou.mybatisplus.annotation.TableId;
import com.baomidou.mybatisplus.annotation.TableName;
import lombok.Data;
import org.springframework.data.annotation.Id;
import org.springframework.data.annotation.Transient;

import javax.persistence.Column;
import java.util.Date;

@Data
@TableName("tb_item")
public class Item {
    @TableId(type = IdType.AUTO)
    @Id
    private Long id;//商品id
    @Column(name = "name")
    private String name;//商品名称
    private String title;//商品标题
    private Long price;//价格（分）
    private String image;//商品图片
    private String category;//分类名称
    private String brand;//品牌名称
    private String spec;//规格
    private Integer status;//商品状态 1-正常，2-下架
    private Date createTime;//创建时间
    private Date updateTime;//更新时间
    @TableField(exist = false)
    @Transient
    private Integer stock;
    @TableField(exist = false)
    @Transient
    private Integer sold;
}

5.3.4.编写监听器

通过实现EntryHandler<T>接口编写监听器，监听Canal消息。注意两点：

  • 实现类通过@CanalTable("tb_item")指定监听的表信息
  • EntryHandler的泛型是与表对应的实体类
package com.heima.item.canal;

import com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache;
import com.heima.item.config.RedisHandler;
import com.heima.item.pojo.Item;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
import top.javatool.canal.client.annotation.CanalTable;
import top.javatool.canal.client.handler.EntryHandler;

@CanalTable("tb_item")
@Component
public class ItemHandler implements EntryHandler<Item> {

    @Autowired
    private RedisHandler redisHandler;
    @Autowired
    private Cache<Long, Item> itemCache;

    @Override
    public void insert(Item item) {
        // 写数据到JVM进程缓存
        itemCache.put(item.getId(), item);
        // 写数据到redis
        redisHandler.saveItem(item);
    }

    @Override
    public void update(Item before, Item after) {
        // 写数据到JVM进程缓存
        itemCache.put(after.getId(), after);
        // 写数据到redis
        redisHandler.saveItem(after);
    }

    @Override
    public void delete(Item item) {
        // 删除数据到JVM进程缓存
        itemCache.invalidate(item.getId());
        // 删除数据到redis
        redisHandler.deleteItemById(item.getId());
    }
}

在这里对Redis的操作都封装到了RedisHandler这个对象中，是我们之前做缓存预热时编写的一个类，内容如下：

package com.heima.item.config;

import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import com.heima.item.pojo.Item;
import com.heima.item.pojo.ItemStock;
import com.heima.item.service.IItemService;
import com.heima.item.service.IItemStockService;
import org.springframework.beans.factory.InitializingBean;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.List;

@Component
public class RedisHandler implements InitializingBean {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    @Autowired
    private IItemService itemService;
    @Autowired
    private IItemStockService stockService;

    private static final ObjectMapper MAPPER = new ObjectMapper();

    @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        // 初始化缓存
        // 1.查询商品信息
        List<Item> itemList = itemService.list();
        // 2.放入缓存
        for (Item item : itemList) {
            // 2.1.item序列化为JSON
            String json = MAPPER.writeValueAsString(item);
            // 2.2.存入redis
            redisTemplate.opsForValue().set("item:id:" + item.getId(), json);
        }

        // 3.查询商品库存信息
        List<ItemStock> stockList = stockService.list();
        // 4.放入缓存
        for (ItemStock stock : stockList) {
            // 2.1.item序列化为JSON
            String json = MAPPER.writeValueAsString(stock);
            // 2.2.存入redis
            redisTemplate.opsForValue().set("item:stock:id:" + stock.getId(), json);
        }
    }

    public void saveItem(Item item) {
        try {
            String json = MAPPER.writeValueAsString(item);
            redisTemplate.opsForValue().set("item:id:" + item.getId(), json);
        } catch (JsonProcessingException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void deleteItemById(Long id) {
        redisTemplate.delete("item:id:" + id);
    }
}

服务异步通信-高级篇

消息队列在使用过程中，面临着很多实际问题需要思考：

1.消息可靠性

消息从发送，到消费者接收，会经理多个过程：

其中的每一步都可能导致消息丢失，常见的丢失原因包括：

  • 发送时丢失：
    • 生产者发送的消息未送达exchange
    • 消息到达exchange后未到达queue
  • MQ宕机，queue将消息丢失
  • consumer接收到消息后未消费就宕机

针对这些问题，RabbitMQ分别给出了解决方案：

  • 生产者确认机制
  • mq持久化
  • 消费者确认机制
  • 失败重试机制

下面我们就通过案例来演示每一个步骤。

首先，导入课前资料提供的demo工程：

项目结构如下：

1.1.生产者消息确认

RabbitMQ提供了publisher confirm机制来避免消息发送到MQ过程中丢失。这种机制必须给每个消息指定一个唯一ID。消息发送到MQ以后，会返回一个结果给发送者，表示消息是否处理成功。

返回结果有两种方式：

  • publisher-confirm，发送者确认
    • 消息成功投递到交换机，返回ack
    • 消息未投递到交换机，返回nack
  • publisher-return，发送者回执
    • 消息投递到交换机了，但是没有路由到队列。返回ACK，及路由失败原因。

注意：

1.1.1.修改配置

首先，修改publisher服务中的application.yml文件，添加下面的内容：

spring:
  rabbitmq:
    publisher-confirm-type: correlated
    publisher-returns: true
    template:
      mandatory: true

说明：

  • publish-confirm-type：开启publisher-confirm，这里支持两种类型：
    • simple：同步等待confirm结果，直到超时
    • correlated：异步回调，定义ConfirmCallback，MQ返回结果时会回调这个ConfirmCallback
  • publish-returns：开启publish-return功能，同样是基于callback机制，不过是定义ReturnCallback
  • template.mandatory：定义消息路由失败时的策略。true，则调用ReturnCallback；false：则直接丢弃消息

1.1.2.定义Return回调

每个RabbitTemplate只能配置一个ReturnCallback，因此需要在项目加载时配置：

修改publisher服务，添加一个：

package cn.itcast.mq.config;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.amqp.rabbit.core.RabbitTemplate;
import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.ApplicationContextAware;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Slf4j
@Configuration
public class CommonConfig implements ApplicationContextAware {
    @Override
    public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) throws BeansException {
        // 获取RabbitTemplate
        RabbitTemplate rabbitTemplate = applicationContext.getBean(RabbitTemplate.class);
        // 设置ReturnCallback
        rabbitTemplate.setReturnCallback((message, replyCode, replyText, exchange, routingKey) -> {
            // 投递失败，记录日志
            log.info("消息发送失败，应答码{}，原因{}，交换机{}，路由键{},消息{}",
                     replyCode, replyText, exchange, routingKey, message.toString());
            // 如果有业务需要，可以重发消息
        });
    }
}

1.1.3.定义ConfirmCallback

ConfirmCallback可以在发送消息时指定，因为每个业务处理confirm成功或失败的逻辑不一定相同。

在publisher服务的cn.itcast.mq.spring.SpringAmqpTest类中，定义一个单元测试方法：

public void testSendMessage2SimpleQueue() throws InterruptedException {
    // 1.消息体
    String message = "hello, spring amqp!";
    // 2.全局唯一的消息ID，需要封装到CorrelationData中
    CorrelationData correlationData = new CorrelationData(UUID.randomUUID().toString());
    // 3.添加callback
    correlationData.getFuture().addCallback(
        result -> {
            if(result.isAck()){
                // 3.1.ack，消息成功
                log.debug("消息发送成功, ID:{}", correlationData.getId());
            }else{
                // 3.2.nack，消息失败
                log.error("消息发送失败, ID:{}, 原因{}",correlationData.getId(), result.getReason());
            }
        },
        ex -> log.error("消息发送异常, ID:{}, 原因{}",correlationData.getId(),ex.getMessage())
    );
    // 4.发送消息
    rabbitTemplate.convertAndSend("task.direct", "task", message, correlationData);

    // 休眠一会儿，等待ack回执
    Thread.sleep(2000);
}

1.2.消息持久化

生产者确认可以确保消息投递到RabbitMQ的队列中，但是消息发送到RabbitMQ以后，如果突然宕机，也可能导致消息丢失。

要想确保消息在RabbitMQ中安全保存，必须开启消息持久化机制。

  • 交换机持久化
  • 队列持久化
  • 消息持久化

1.2.1.交换机持久化

RabbitMQ中交换机默认是非持久化的，mq重启后就丢失。

SpringAMQP中可以通过代码指定交换机持久化：

@Bean
public DirectExchange simpleExchange(){
    // 三个参数：交换机名称、是否持久化、当没有queue与其绑定时是否自动删除
    return new DirectExchange("simple.direct", true, false);
}

事实上，默认情况下，由SpringAMQP声明的交换机都是持久化的。

可以在RabbitMQ控制台看到持久化的交换机都会带上D的标示：

1.2.2.队列持久化

RabbitMQ中队列默认是非持久化的，mq重启后就丢失。

SpringAMQP中可以通过代码指定交换机持久化：

@Bean
public Queue simpleQueue(){
    // 使用QueueBuilder构建队列，durable就是持久化的
    return QueueBuilder.durable("simple.queue").build();
}

事实上，默认情况下，由SpringAMQP声明的队列都是持久化的。

可以在RabbitMQ控制台看到持久化的队列都会带上D的标示：

1.2.3.消息持久化

利用SpringAMQP发送消息时，可以设置消息的属性（MessageProperties），指定delivery-mode：

  • 1：非持久化
  • 2：持久化

用java代码指定：

默认情况下，SpringAMQP发出的任何消息都是持久化的，不用特意指定。

1.3.消费者消息确认

RabbitMQ是阅后即焚机制，RabbitMQ确认消息被消费者消费后会立刻删除。

而RabbitMQ是通过消费者回执来确认消费者是否成功处理消息的：消费者获取消息后，应该向RabbitMQ发送ACK回执，表明自己已经处理消息。

设想这样的场景：

  • 1）RabbitMQ投递消息给消费者
  • 2）消费者获取消息后，返回ACK给RabbitMQ
  • 3）RabbitMQ删除消息
  • 4）消费者宕机，消息尚未处理

这样，消息就丢失了。因此消费者返回ACK的时机非常重要。

而SpringAMQP则允许配置三种确认模式：

•manual：手动ack，需要在业务代码结束后，调用api发送ack。

•auto：自动ack，由spring监测listener代码是否出现异常，没有异常则返回ack；抛出异常则返回nack

•none：关闭ack，MQ假定消费者获取消息后会成功处理，因此消息投递后立即被删除

由此可知：

  • none模式下，消息投递是不可靠的，可能丢失
  • auto模式类似事务机制，出现异常时返回nack，消息回滚到mq；没有异常，返回ack
  • manual：自己根据业务情况，判断什么时候该ack

一般，我们都是使用默认的auto即可。

1.3.1.演示none模式

修改consumer服务的application.yml文件，添加下面内容：

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        acknowledge-mode: none # 关闭ack

修改consumer服务的SpringRabbitListener类中的方法，模拟一个消息处理异常：

@RabbitListener(queues = "simple.queue")
public void listenSimpleQueue(String msg) {
    log.info("消费者接收到simple.queue的消息：【{}】", msg);
    // 模拟异常
    System.out.println(1 / 0);
    log.debug("消息处理完成！");
}

测试可以发现，当消息处理抛异常时，消息依然被RabbitMQ删除了。

1.3.2.演示auto模式

再次把确认机制修改为auto:

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        acknowledge-mode: auto # 关闭ack

在异常位置打断点，再次发送消息，程序卡在断点时，可以发现此时消息状态为unack（未确定状态）：

抛出异常后，因为Spring会自动返回nack，所以消息恢复至Ready状态，并且没有被RabbitMQ删除：

1.4.消费失败重试机制

当消费者出现异常后，消息会不断requeue（重入队）到队列，再重新发送给消费者，然后再次异常，再次requeue，无限循环，导致mq的消息处理飙升，带来不必要的压力：

怎么办呢？

1.4.1.本地重试

我们可以利用Spring的retry机制，在消费者出现异常时利用本地重试，而不是无限制的requeue到mq队列。

修改consumer服务的application.yml文件，添加内容：

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        retry:
          enabled: true # 开启消费者失败重试
          initial-interval: 1000 # 初识的失败等待时长为1秒
          multiplier: 1 # 失败的等待时长倍数，下次等待时长 = multiplier * last-interval
          max-attempts: 3 # 最大重试次数
          stateless: true # true无状态；false有状态。如果业务中包含事务，这里改为false

重启consumer服务，重复之前的测试。可以发现：

  • 在重试3次后，SpringAMQP会抛出异常AmqpRejectAndDontRequeueException，说明本地重试触发了
  • 查看RabbitMQ控制台，发现消息被删除了，说明最后SpringAMQP返回的是ack，mq删除消息了

结论：

  • 开启本地重试时，消息处理过程中抛出异常，不会requeue到队列，而是在消费者本地重试
  • 重试达到最大次数后，Spring会返回ack，消息会被丢弃

1.4.2.失败策略

在之前的测试中，达到最大重试次数后，消息会被丢弃，这是由Spring内部机制决定的。

在开启重试模式后，重试次数耗尽，如果消息依然失败，则需要有MessageRecovery接口来处理，它包含三种不同的实现：

  • RejectAndDontRequeueRecoverer：重试耗尽后，直接reject，丢弃消息。默认就是这种方式

  • ImmediateRequeueMessageRecoverer：重试耗尽后，返回nack，消息重新入队

  • RepublishMessageRecoverer：重试耗尽后，将失败消息投递到指定的交换机

比较优雅的一种处理方案是RepublishMessageRecoverer，失败后将消息投递到一个指定的，专门存放异常消息的队列，后续由人工集中处理。

1）在consumer服务中定义处理失败消息的交换机和队列

@Bean
public DirectExchange errorMessageExchange(){
    return new DirectExchange("error.direct");
}
@Bean
public Queue errorQueue(){
    return new Queue("error.queue", true);
}
@Bean
public Binding errorBinding(Queue errorQueue, DirectExchange errorMessageExchange){
    return BindingBuilder.bind(errorQueue).to(errorMessageExchange).with("error");
}

2）定义一个RepublishMessageRecoverer，关联队列和交换机

@Bean
public MessageRecoverer republishMessageRecoverer(RabbitTemplate rabbitTemplate){
    return new RepublishMessageRecoverer(rabbitTemplate, "error.direct", "error");
}

完整代码：

package cn.itcast.mq.config;

import org.springframework.amqp.core.Binding;
import org.springframework.amqp.core.BindingBuilder;
import org.springframework.amqp.core.DirectExchange;
import org.springframework.amqp.core.Queue;
import org.springframework.amqp.rabbit.core.RabbitTemplate;
import org.springframework.amqp.rabbit.retry.MessageRecoverer;
import org.springframework.amqp.rabbit.retry.RepublishMessageRecoverer;
import org.springframework.context.annotation.Bean;

@Configuration
public class ErrorMessageConfig {
    @Bean
    public DirectExchange errorMessageExchange(){
        return new DirectExchange("error.direct");
    }
    @Bean
    public Queue errorQueue(){
        return new Queue("error.queue", true);
    }
    @Bean
    public Binding errorBinding(Queue errorQueue, DirectExchange errorMessageExchange){
        return BindingBuilder.bind(errorQueue).to(errorMessageExchange).with("error");
    }

    @Bean
    public MessageRecoverer republishMessageRecoverer(RabbitTemplate rabbitTemplate){
        return new RepublishMessageRecoverer(rabbitTemplate, "error.direct", "error");
    }
}

1.5.总结

如何确保RabbitMQ消息的可靠性？

  • 开启生产者确认机制，确保生产者的消息能到达队列
  • 开启持久化功能，确保消息未消费前在队列中不会丢失
  • 开启消费者确认机制为auto，由spring确认消息处理成功后完成ack
  • 开启消费者失败重试机制，并设置MessageRecoverer，多次重试失败后将消息投递到异常交换机，交由人工处理

2.死信交换机

2.1.初识死信交换机

2.1.1.什么是死信交换机

什么是死信？

当一个队列中的消息满足下列情况之一时，可以成为死信（dead letter）：

  • 消费者使用basic.reject或 basic.nack声明消费失败，并且消息的requeue参数设置为false
  • 消息是一个过期消息，超时无人消费
  • 要投递的队列消息满了，无法投递

如果这个包含死信的队列配置了dead-letter-exchange属性，指定了一个交换机，那么队列中的死信就会投递到这个交换机中，而这个交换机称为死信交换机（Dead Letter Exchange，检查DLX）。

如图，一个消息被消费者拒绝了，变成了死信：

因为simple.queue绑定了死信交换机 dl.direct，因此死信会投递给这个交换机：

如果这个死信交换机也绑定了一个队列，则消息最终会进入这个存放死信的队列：

另外，队列将死信投递给死信交换机时，必须知道两个信息：

  • 死信交换机名称
  • 死信交换机与死信队列绑定的RoutingKey

这样才能确保投递的消息能到达死信交换机，并且正确的路由到死信队列。

2.1.2.利用死信交换机接收死信（拓展）

在失败重试策略中，默认的RejectAndDontRequeueRecoverer会在本地重试次数耗尽后，发送reject给RabbitMQ，消息变成死信，被丢弃。

我们可以给simple.queue添加一个死信交换机，给死信交换机绑定一个队列。这样消息变成死信后也不会丢弃，而是最终投递到死信交换机，路由到与死信交换机绑定的队列。

我们在consumer服务中，定义一组死信交换机、死信队列：

// 声明普通的 simple.queue队列，并且为其指定死信交换机：dl.direct
@Bean
public Queue simpleQueue2(){
    return QueueBuilder.durable("simple.queue") // 指定队列名称，并持久化
        .deadLetterExchange("dl.direct") // 指定死信交换机
        .build();
}
// 声明死信交换机 dl.direct
@Bean
public DirectExchange dlExchange(){
    return new DirectExchange("dl.direct", true, false);
}
// 声明存储死信的队列 dl.queue
@Bean
public Queue dlQueue(){
    return new Queue("dl.queue", true);
}
// 将死信队列 与 死信交换机绑定
@Bean
public Binding dlBinding(){
    return BindingBuilder.bind(dlQueue()).to(dlExchange()).with("simple");
}

2.1.3.总结

什么样的消息会成为死信？

  • 消息被消费者reject或者返回nack
  • 消息超时未消费
  • 队列满了

死信交换机的使用场景是什么？

  • 如果队列绑定了死信交换机，死信会投递到死信交换机；
  • 可以利用死信交换机收集所有消费者处理失败的消息（死信），交由人工处理，进一步提高消息队列的可靠性。

2.2.TTL

一个队列中的消息如果超时未消费，则会变为死信，超时分为两种情况：

  • 消息所在的队列设置了超时时间
  • 消息本身设置了超时时间

2.2.1.接收超时死信的死信交换机

在consumer服务的SpringRabbitListener中，定义一个新的消费者，并且声明 死信交换机、死信队列：

@RabbitListener(bindings = @QueueBinding(
    value = @Queue(name = "dl.ttl.queue", durable = "true"),
    exchange = @Exchange(name = "dl.ttl.direct"),
    key = "ttl"
))
public void listenDlQueue(String msg){
    log.info("接收到 dl.ttl.queue的延迟消息：{}", msg);
}

2.2.2.声明一个队列，并且指定TTL

要给队列设置超时时间，需要在声明队列时配置x-message-ttl属性：

@Bean
public Queue ttlQueue(){
    return QueueBuilder.durable("ttl.queue") // 指定队列名称，并持久化
        .ttl(10000) // 设置队列的超时时间，10秒
        .deadLetterExchange("dl.ttl.direct") // 指定死信交换机
        .build();
}

注意，这个队列设定了死信交换机为dl.ttl.direct

声明交换机，将ttl与交换机绑定：

@Bean
public DirectExchange ttlExchange(){
    return new DirectExchange("ttl.direct");
}
@Bean
public Binding ttlBinding(){
    return BindingBuilder.bind(ttlQueue()).to(ttlExchange()).with("ttl");
}

发送消息，但是不要指定TTL：

@Test
public void testTTLQueue() {
    // 创建消息
    String message = "hello, ttl queue";
    // 消息ID，需要封装到CorrelationData中
    CorrelationData correlationData = new CorrelationData(UUID.randomUUID().toString());
    // 发送消息
    rabbitTemplate.convertAndSend("ttl.direct", "ttl", message, correlationData);
    // 记录日志
    log.debug("发送消息成功");
}

发送消息的日志：

查看下接收消息的日志：

因为队列的TTL值是10000ms，也就是10秒。可以看到消息发送与接收之间的时差刚好是10秒。

2.2.3.发送消息时，设定TTL

在发送消息时，也可以指定TTL：

@Test
public void testTTLMsg() {
    // 创建消息
    Message message = MessageBuilder
        .withBody("hello, ttl message".getBytes(StandardCharsets.UTF_8))
        .setExpiration("5000")
        .build();
    // 消息ID，需要封装到CorrelationData中
    CorrelationData correlationData = new CorrelationData(UUID.randomUUID().toString());
    // 发送消息
    rabbitTemplate.convertAndSend("ttl.direct", "ttl", message, correlationData);
    log.debug("发送消息成功");
}

查看发送消息日志：

接收消息日志：

这次，发送与接收的延迟只有5秒。说明当队列、消息都设置了TTL时，任意一个到期就会成为死信。

2.2.4.总结

消息超时的两种方式是？

  • 给队列设置ttl属性，进入队列后超过ttl时间的消息变为死信
  • 给消息设置ttl属性，队列接收到消息超过ttl时间后变为死信

如何实现发送一个消息20秒后消费者才收到消息？

  • 给消息的目标队列指定死信交换机
  • 将消费者监听的队列绑定到死信交换机
  • 发送消息时给消息设置超时时间为20秒

2.3.延迟队列

利用TTL结合死信交换机，我们实现了消息发出后，消费者延迟收到消息的效果。这种消息模式就称为延迟队列（Delay Queue）模式。

延迟队列的使用场景包括：

  • 延迟发送短信
  • 用户下单，如果用户在15 分钟内未支付，则自动取消
  • 预约工作会议，20分钟后自动通知所有参会人员

因为延迟队列的需求非常多，所以RabbitMQ的官方也推出了一个插件，原生支持延迟队列效果。

这个插件就是DelayExchange插件。参考RabbitMQ的插件列表页面：https://www.rabbitmq/community-plugins.html

使用方式可以参考官网地址：https://blog.rabbitmq/posts/2015/04/scheduling-messages-with-rabbitmq

2.3.1.安装DelayExchange插件

参考课前资料：

2.3.2.DelayExchange原理

DelayExchange需要将一个交换机声明为delayed类型。当我们发送消息到delayExchange时，流程如下：

  • 接收消息
  • 判断消息是否具备x-delay属性
  • 如果有x-delay属性，说明是延迟消息，持久化到硬盘，读取x-delay值，作为延迟时间
  • 返回routing not found结果给消息发送者
  • x-delay时间到期后，重新投递消息到指定队列

2.3.3.使用DelayExchange

插件的使用也非常简单：声明一个交换机，交换机的类型可以是任意类型，只需要设定delayed属性为true即可，然后声明队列与其绑定即可。

1）声明DelayExchange交换机

基于注解方式（推荐）：

也可以基于@Bean的方式：

2）发送消息

发送消息时，一定要携带x-delay属性，指定延迟的时间：

2.3.4.总结

延迟队列插件的使用步骤包括哪些？

•声明一个交换机，添加delayed属性为true

•发送消息时，添加x-delay头，值为超时时间

3.惰性队列

3.1.消息堆积问题

当生产者发送消息的速度超过了消费者处理消息的速度，就会导致队列中的消息堆积，直到队列存储消息达到上限。之后发送的消息就会成为死信，可能会被丢弃，这就是消息堆积问题。

解决消息堆积有两种思路：

  • 增加更多消费者，提高消费速度。也就是我们之前说的work queue模式
  • 扩大队列容积，提高堆积上限

要提升队列容积，把消息保存在内存中显然是不行的。

3.2.惰性队列

从RabbitMQ的3.6.0版本开始，就增加了Lazy Queues的概念，也就是惰性队列。惰性队列的特征如下：

  • 接收到消息后直接存入磁盘而非内存
  • 消费者要消费消息时才会从磁盘中读取并加载到内存
  • 支持数百万条的消息存储

3.2.1.基于命令行设置lazy-queue

而要设置一个队列为惰性队列，只需要在声明队列时，指定x-queue-mode属性为lazy即可。可以通过命令行将一个运行中的队列修改为惰性队列：

rabbitmqctl set_policy Lazy "^lazy-queue$" '{"queue-mode":"lazy"}' --apply-to queues

命令解读：

  • rabbitmqctl ：RabbitMQ的命令行工具
  • set_policy ：添加一个策略
  • Lazy ：策略名称，可以自定义
  • "^lazy-queue$" ：用正则表达式匹配队列的名字
  • '{"queue-mode":"lazy"}' ：设置队列模式为lazy模式
  • --apply-to queues ：策略的作用对象，是所有的队列

3.2.2.基于@Bean声明lazy-queue

3.2.3.基于@RabbitListener声明LazyQueue

3.3.总结

消息堆积问题的解决方案？

  • 队列上绑定多个消费者，提高消费速度
  • 使用惰性队列，可以再mq中保存更多消息

惰性队列的优点有哪些？

  • 基于磁盘存储，消息上限高
  • 没有间歇性的page-out，性能比较稳定

惰性队列的缺点有哪些？

  • 基于磁盘存储，消息时效性会降低
  • 性能受限于磁盘的IO

4.MQ集群

4.1.集群分类

RabbitMQ的是基于Erlang语言编写，而Erlang又是一个面向并发的语言，天然支持集群模式。RabbitMQ的集群有两种模式：

•普通集群：是一种分布式集群，将队列分散到集群的各个节点，从而提高整个集群的并发能力。

•镜像集群：是一种主从集群，普通集群的基础上，添加了主从备份功能，提高集群的数据可用性。

镜像集群虽然支持主从，但主从同步并不是强一致的，某些情况下可能有数据丢失的风险。因此在RabbitMQ的3.8版本以后，推出了新的功能：仲裁队列来代替镜像集群，底层采用Raft协议确保主从的数据一致性。

4.2.普通集群

4.2.1.集群结构和特征

普通集群，或者叫标准集群（classic cluster），具备下列特征：

  • 会在集群的各个节点间共享部分数据，包括：交换机、队列元信息。不包含队列中的消息。
  • 当访问集群某节点时，如果队列不在该节点，会从数据所在节点传递到当前节点并返回
  • 队列所在节点宕机，队列中的消息就会丢失

结构如图：

4.2.2.部署

参考课前资料：《RabbitMQ部署指南.md》

4.3.镜像集群

4.3.1.集群结构和特征

镜像集群：本质是主从模式，具备下面的特征：

  • 交换机、队列、队列中的消息会在各个mq的镜像节点之间同步备份。
  • 创建队列的节点被称为该队列的主节点，备份到的其它节点叫做该队列的镜像节点。
  • 一个队列的主节点可能是另一个队列的镜像节点
  • 所有操作都是主节点完成，然后同步给镜像节点
  • 主宕机后，镜像节点会替代成新的主

结构如图：

4.3.2.部署

参考课前资料：《RabbitMQ部署指南.md》

4.4.仲裁队列

4.4.1.集群特征

仲裁队列：仲裁队列是3.8版本以后才有的新功能，用来替代镜像队列，具备下列特征：

  • 与镜像队列一样，都是主从模式，支持主从数据同步
  • 使用非常简单，没有复杂的配置
  • 主从同步基于Raft协议，强一致

4.4.2.部署

参考课前资料：《RabbitMQ部署指南.md》

4.4.3.Java代码创建仲裁队列

@Bean
public Queue quorumQueue() {
    return QueueBuilder
        .durable("quorum.queue") // 持久化
        .quorum() // 仲裁队列
        .build();
}

4.4.4.SpringAMQP连接MQ集群

注意，这里用address来代替host、port方式

spring:
  rabbitmq:
    addresses: 192.168.150.105:8071, 192.168.150.105:8072, 192.168.150.105:8073
    username: itcast
    password: 123321
    virtual-host: /






常见面试题

1.微服务篇

1.1.SpringCloud常见组件有哪些？

问题说明：这个题目主要考察对SpringCloud的组件基本了解

难易程度：简单

参考话术：

SpringCloud包含的组件很多，有很多功能是重复的。其中最常用组件包括：

•注册中心组件：Eureka、Nacos等

•负载均衡组件：Ribbon

•远程调用组件：OpenFeign

•网关组件：Zuul、Gateway

•服务保护组件：Hystrix、Sentinel

•服务配置管理组件：SpringCloudConfig、Nacos

1.2.Nacos的服务注册表结构是怎样的？

问题说明：考察对Nacos数据分级结构的了解，以及Nacos源码的掌握情况

难易程度：一般

参考话术：

Nacos采用了数据的分级存储模型，最外层是Namespace，用来隔离环境。然后是Group，用来对服务分组。接下来就是服务（Service）了，一个服务包含多个实例，但是可能处于不同机房，因此Service下有多个集群（Cluster），Cluster下是不同的实例（Instance）。

对应到Java代码中，Nacos采用了一个多层的Map来表示。结构为Map<String, Map<String, Service>>，其中最外层Map的key就是namespaceId，值是一个Map。内层Map的key是group拼接serviceName，值是Service对象。Service对象内部又是一个Map，key是集群名称，值是Cluster对象。而Cluster对象内部维护了Instance的集合。

如图：

1.3.Nacos如何支撑阿里内部数十万服务注册压力？

问题说明：考察对Nacos源码的掌握情况

难易程度：难

参考话术：

Nacos内部接收到注册的请求时，不会立即写数据，而是将服务注册的任务放入一个阻塞队列就立即响应给客户端。然后利用线程池读取阻塞队列中的任务，异步来完成实例更新，从而提高并发写能力。

1.4.Nacos如何避免并发读写冲突问题？

问题说明：考察对Nacos源码的掌握情况

难易程度：难

参考话术：

Nacos在更新实例列表时，会采用CopyOnWrite技术，首先将旧的实例列表拷贝一份，然后更新拷贝的实例列表，再用更新后的实例列表来覆盖旧的实例列表。

这样在更新的过程中，就不会对读实例列表的请求产生影响，也不会出现脏读问题了。

1.5.Nacos与Eureka的区别有哪些？

问题说明：考察对Nacos、Eureka的底层实现的掌握情况

难易程度：难

参考话术：

Nacos与Eureka有相同点，也有不同之处，可以从以下几点来描述：

  • 接口方式：Nacos与Eureka都对外暴露了Rest风格的API接口，用来实现服务注册、发现等功能
  • 实例类型：Nacos的实例有永久和临时实例之分；而Eureka只支持临时实例
  • 健康检测：Nacos对临时实例采用心跳模式检测，对永久实例采用主动请求来检测；Eureka只支持心跳模式
  • 服务发现：Nacos支持定时拉取和订阅推送两种模式；Eureka只支持定时拉取模式

1.6.Sentinel的限流与Gateway的限流有什么差别？

问题说明：考察对限流算法的掌握情况

难易程度：难

参考话术：

限流算法常见的有三种实现：滑动时间窗口、令牌桶算法、漏桶算法。Gateway则采用了基于Redis实现的令牌桶算法。

而Sentinel内部却比较复杂：

  • 默认限流模式是基于滑动时间窗口算法
  • 排队等待的限流模式则基于漏桶算法
  • 而热点参数限流则是基于令牌桶算法

1.7.Sentinel的线程隔离与Hystix的线程隔离有什么差别?

问题说明：考察对线程隔离方案的掌握情况

难易程度：一般

参考话术：

Hystix默认是基于线程池实现的线程隔离，每一个被隔离的业务都要创建一个独立的线程池，线程过多会带来额外的CPU开销，性能一般，但是隔离性更强。

Sentinel是基于信号量（计数器）实现的线程隔离，不用创建线程池，性能较好，但是隔离性一般。

2.MQ篇

2.1.你们为什么选择了RabbitMQ而不是其它的MQ？

如图：

话术：

kafka是以吞吐量高而闻名，不过其数据稳定性一般，而且无法保证消息有序性。我们公司的日志收集也有使用，业务模块中则使用的RabbitMQ。

阿里巴巴的RocketMQ基于Kafka的原理，弥补了Kafka的缺点，继承了其高吞吐的优势，其客户端目前以Java为主。但是我们担心阿里巴巴开源产品的稳定性，所以就没有使用。

RabbitMQ基于面向并发的语言Erlang开发，吞吐量不如Kafka，但是对我们公司来讲够用了。而且消息可靠性较好，并且消息延迟极低，集群搭建比较方便。支持多种协议，并且有各种语言的客户端，比较灵活。Spring对RabbitMQ的支持也比较好，使用起来比较方便，比较符合我们公司的需求。

综合考虑我们公司的并发需求以及稳定性需求，我们选择了RabbitMQ。

2.2.RabbitMQ如何确保消息的不丢失？

话术：

RabbitMQ针对消息传递过程中可能发生问题的各个地方，给出了针对性的解决方案：

  • 生产者发送消息时可能因为网络问题导致消息没有到达交换机：
    • RabbitMQ提供了publisher confirm机制
      • 生产者发送消息后，可以编写ConfirmCallback函数
      • 消息成功到达交换机后，RabbitMQ会调用ConfirmCallback通知消息的发送者，返回ACK
      • 消息如果未到达交换机，RabbitMQ也会调用ConfirmCallback通知消息的发送者，返回NACK
      • 消息超时未发送成功也会抛出异常
  • 消息到达交换机后，如果未能到达队列，也会导致消息丢失：
    • RabbitMQ提供了publisher return机制
      • 生产者可以定义ReturnCallback函数
      • 消息到达交换机，未到达队列，RabbitMQ会调用ReturnCallback通知发送者，告知失败原因
  • 消息到达队列后，MQ宕机也可能导致丢失消息：
    • RabbitMQ提供了持久化功能，集群的主从备份功能
      • 消息持久化，RabbitMQ会将交换机、队列、消息持久化到磁盘，宕机重启可以恢复消息
      • 镜像集群，仲裁队列，都可以提供主从备份功能，主节点宕机，从节点会自动切换为主，数据依然在
  • 消息投递给消费者后，如果消费者处理不当，也可能导致消息丢失
    • SpringAMQP基于RabbitMQ提供了消费者确认机制、消费者重试机制，消费者失败处理策略：
      • 消费者的确认机制：
        • 消费者处理消息成功，未出现异常时，Spring返回ACK给RabbitMQ，消息才被移除
        • 消费者处理消息失败，抛出异常，宕机，Spring返回NACK或者不返回结果，消息不被异常
      • 消费者重试机制：
        • 默认情况下，消费者处理失败时，消息会再次回到MQ队列，然后投递给其它消费者。Spring提供的消费者重试机制，则是在处理失败后不返回NACK，而是直接在消费者本地重试。多次重试都失败后，则按照消费者失败处理策略来处理消息。避免了消息频繁入队带来的额外压力。
      • 消费者失败策略：
        • 当消费者多次本地重试失败时，消息默认会丢弃。
        • Spring提供了Republish策略，在多次重试都失败，耗尽重试次数后，将消息重新投递给指定的异常交换机，并且会携带上异常栈信息，帮助定位问题。

2.3.RabbitMQ如何避免消息堆积？

话术：

消息堆积问题产生的原因往往是因为消息发送的速度超过了消费者消息处理的速度。因此解决方案无外乎以下三点：

  • 提高消费者处理速度
  • 增加更多消费者
  • 增加队列消息存储上限

1）提高消费者处理速度

消费者处理速度是由业务代码决定的，所以我们能做的事情包括：

  • 尽可能优化业务代码，提高业务性能
  • 接收到消息后，开启线程池，并发处理多个消息

优点：成本低，改改代码即可

缺点：开启线程池会带来额外的性能开销，对于高频、低时延的任务不合适。推荐任务执行周期较长的业务。

2）增加更多消费者

一个队列绑定多个消费者，共同争抢任务，自然可以提供消息处理的速度。

优点：能用钱解决的问题都不是问题。实现简单粗暴

缺点：问题是没有钱。成本太高

3）增加队列消息存储上限

在RabbitMQ的1.8版本后，加入了新的队列模式：Lazy Queue

这种队列不会将消息保存在内存中，而是在收到消息后直接写入磁盘中，理论上没有存储上限。可以解决消息堆积问题。

优点：磁盘存储更安全；存储无上限；避免内存存储带来的Page Out问题，性能更稳定；

缺点：磁盘存储受到IO性能的限制，消息时效性不如内存模式，但影响不大。

2.4.RabbitMQ如何保证消息的有序性？

话术：

其实RabbitMQ是队列存储，天然具备先进先出的特点，只要消息的发送是有序的，那么理论上接收也是有序的。不过当一个队列绑定了多个消费者时，可能出现消息轮询投递给消费者的情况，而消费者的处理顺序就无法保证了。

因此，要保证消息的有序性，需要做的下面几点：

  • 保证消息发送的有序性
  • 保证一组有序的消息都发送到同一个队列
  • 保证一个队列只包含一个消费者

2.5.如何防止MQ消息被重复消费？

话术：

消息重复消费的原因多种多样，不可避免。所以只能从消费者端入手，只要能保证消息处理的幂等性就可以确保消息不被重复消费。

而幂等性的保证又有很多方案：

  • 给每一条消息都添加一个唯一id，在本地记录消息表及消息状态，处理消息时基于数据库表的id唯一性做判断
  • 同样是记录消息表，利用消息状态字段实现基于乐观锁的判断，保证幂等
  • 基于业务本身的幂等性。比如根据id的删除、查询业务天生幂等；新增、修改等业务可以考虑基于数据库id唯一性、或者乐观锁机制确保幂等。本质与消息表方案类似。

2.6.如何保证RabbitMQ的高可用？

话术：

要实现RabbitMQ的高可用无外乎下面两点：

  • 做好交换机、队列、消息的持久化
  • 搭建RabbitMQ的镜像集群，做好主从备份。当然也可以使用仲裁队列代替镜像集群。

2.7.使用MQ可以解决那些问题？

话术：

RabbitMQ能解决的问题很多，例如：

  • 解耦合：将几个业务关联的微服务调用修改为基于MQ的异步通知，可以解除微服务之间的业务耦合。同时还提高了业务性能。
  • 流量削峰：将突发的业务请求放入MQ中，作为缓冲区。后端的业务根据自己的处理能力从MQ中获取消息，逐个处理任务。流量曲线变的平滑很多
  • 延迟队列：基于RabbitMQ的死信队列或者DelayExchange插件，可以实现消息发送后，延迟接收的效果。

3.Redis篇

3.1.Redis与Memcache的区别？

  • redis支持更丰富的数据类型（支持更复杂的应用场景）：Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。memcache支持简单的数据类型，String。
  • Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用,而Memecache把数据全部存在内存之中。
  • 集群模式：memcached没有原生的集群模式，需要依靠客户端来实现往集群中分片写入数据；但是 redis 目前是原生支持 cluster 模式的.
  • Redis使用单线程：Memcached是多线程，非阻塞IO复用的网络模型；Redis使用单线程的多路 IO 复用模型。

3.2.Redis的单线程问题

面试官：Redis采用单线程，如何保证高并发？

面试话术：

Redis快的主要原因是：

  1. 完全基于内存
  2. 数据结构简单，对数据操作也简单
  3. 使用多路 I/O 复用模型，充分利用CPU资源

面试官：这样做的好处是什么？

面试话术：

单线程优势有下面几点：

  • 代码更清晰，处理逻辑更简单
  • 不用去考虑各种锁的问题，不存在加锁释放锁操作，没有因为锁而导致的性能消耗
  • 不存在多进程或者多线程导致的CPU切换，充分利用CPU资源

3.2.Redis的持久化方案由哪些？

相关资料：

1）RDB 持久化

RDB持久化可以使用save或bgsave，为了不阻塞主进程业务，一般都使用bgsave，流程：

  • Redis 进程会 fork 出一个子进程（与父进程内存数据一致）。
  • 父进程继续处理客户端请求命令
  • 由子进程将内存中的所有数据写入到一个临时的 RDB 文件中。
  • 完成写入操作之后，旧的 RDB 文件会被新的 RDB 文件替换掉。

下面是一些和 RDB 持久化相关的配置：

  • save 60 10000：如果在 60 秒内有 10000 个 key 发生改变，那就执行 RDB 持久化。
  • stop-writes-on-bgsave-error yes：如果 Redis 执行 RDB 持久化失败（常见于操作系统内存不足），那么 Redis 将不再接受 client 写入数据的请求。
  • rdbcompression yes：当生成 RDB 文件时，同时进行压缩。
  • dbfilename dump.rdb：将 RDB 文件命名为 dump.rdb。
  • dir /var/lib/redis：将 RDB 文件保存在/var/lib/redis目录下。

当然在实践中，我们通常会将stop-writes-on-bgsave-error设置为false，同时让监控系统在 Redis 执行 RDB 持久化失败时发送告警，以便人工介入解决，而不是粗暴地拒绝 client 的写入请求。

RDB持久化的优点：

  • RDB持久化文件小，Redis数据恢复时速度快
  • 子进程不影响父进程，父进程可以持续处理客户端命令
  • 子进程fork时采用copy-on-write方式，大多数情况下，没有太多的内存消耗，效率比较好。

RDB 持久化的缺点：

  • 子进程fork时采用copy-on-write方式，如果Redis此时写操作较多，可能导致额外的内存占用，甚至内存溢出
  • RDB文件压缩会减小文件体积，但通过时会对CPU有额外的消耗
  • 如果业务场景很看重数据的持久性 (durability)，那么不应该采用 RDB 持久化。譬如说，如果 Redis 每 5 分钟执行一次 RDB 持久化，要是 Redis 意外奔溃了，那么最多会丢失 5 分钟的数据。

2）AOF 持久化

可以使用appendonly yes配置项来开启 AOF 持久化。Redis 执行 AOF 持久化时，会将接收到的写命令追加到 AOF 文件的末尾，因此 Redis 只要对 AOF 文件中的命令进行回放，就可以将数据库还原到原先的状态。
　　与 RDB 持久化相比，AOF 持久化的一个明显优势就是，它可以提高数据的持久性 (durability)。因为在 AOF 模式下，Redis 每次接收到 client 的写命令，就会将命令write()到 AOF 文件末尾。
　　然而，在 Linux 中，将数据write()到文件后，数据并不会立即刷新到磁盘，而会先暂存在 OS 的文件系统缓冲区。在合适的时机，OS 才会将缓冲区的数据刷新到磁盘（如果需要将文件内容刷新到磁盘，可以调用fsync()或fdatasync()）。
　　通过appendfsync配置项，可以控制 Redis 将命令同步到磁盘的频率：

  • always：每次 Redis 将命令write()到 AOF 文件时，都会调用fsync()，将命令刷新到磁盘。这可以保证最好的数据持久性，但却会给系统带来极大的开销。
  • no：Redis 只将命令write()到 AOF 文件。这会让 OS 决定何时将命令刷新到磁盘。
  • everysec：除了将命令write()到 AOF 文件，Redis 还会每秒执行一次fsync()。在实践中，推荐使用这种设置，一定程度上可以保证数据持久性，又不会明显降低 Redis 性能。

然而，AOF 持久化并不是没有缺点的：Redis 会不断将接收到的写命令追加到 AOF 文件中，导致 AOF 文件越来越大。过大的 AOF 文件会消耗磁盘空间，并且导致 Redis 重启时更加缓慢。为了解决这个问题，在适当情况下，Redis 会对 AOF 文件进行重写，去除文件中冗余的命令，以减小 AOF 文件的体积。在重写 AOF 文件期间， Redis 会启动一个子进程，由子进程负责对 AOF 文件进行重写。
　　可以通过下面两个配置项，控制 Redis 重写 AOF 文件的频率：

  • auto-aof-rewrite-min-size 64mb
  • auto-aof-rewrite-percentage 100

上面两个配置的作用：当 AOF 文件的体积大于 64MB，并且 AOF 文件的体积比上一次重写之后的体积大了至少一倍，那么 Redis 就会执行 AOF 重写。

优点：

  • 持久化频率高，数据可靠性高
  • 没有额外的内存或CPU消耗

缺点：

  • 文件体积大
  • 文件大导致服务数据恢复时效率较低

面试话术：

Redis 提供了两种数据持久化的方式，一种是 RDB，另一种是 AOF。默认情况下，Redis 使用的是 RDB 持久化。

RDB持久化文件体积较小，但是保存数据的频率一般较低，可靠性差，容易丢失数据。另外RDB写数据时会采用Fork函数拷贝主进程，可能有额外的内存消耗，文件压缩也会有额外的CPU消耗。

ROF持久化可以做到每秒钟持久化一次，可靠性高。但是持久化文件体积较大，导致数据恢复时读取文件时间较长，效率略低

3.3.Redis的集群方式有哪些？

面试话术：

Redis集群可以分为主从集群和分片集群两类。

主从集群一般一主多从，主库用来写数据，从库用来读数据。结合哨兵，可以再主库宕机时从新选主，目的是保证Redis的高可用。

分片集群是数据分片，我们会让多个Redis节点组成集群，并将16383个插槽分到不同的节点上。存储数据时利用对key做hash运算，得到插槽值后存储到对应的节点即可。因为存储数据面向的是插槽而非节点本身，因此可以做到集群动态伸缩。目的是让Redis能存储更多数据。

1）主从集群

主从集群，也是读写分离集群。一般都是一主多从方式。

Redis 的复制（replication）功能允许用户根据一个 Redis 服务器来创建任意多个该服务器的复制品，其中被复制的服务器为主服务器（master），而通过复制创建出来的服务器复制品则为从服务器（slave）。

只要主从服务器之间的网络连接正常，主从服务器两者会具有相同的数据，主服务器就会一直将发生在自己身上的数据更新同步 给从服务器，从而一直保证主从服务器的数据相同。

  • 写数据时只能通过主节点完成
  • 读数据可以从任何节点完成
  • 如果配置了哨兵节点，当master宕机时，哨兵会从salve节点选出一个新的主。

主从集群分两种：

带有哨兵的集群：

2）分片集群

主从集群中，每个节点都要保存所有信息，容易形成木桶效应。并且当数据量较大时，单个机器无法满足需求。此时我们就要使用分片集群了。

集群特征：

  • 每个节点都保存不同数据

  • 所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽.

  • 节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效.

  • 客户端与redis节点直连,不需要中间proxy层连接集群中任何一个可用节点都可以访问到数据

  • redis-cluster把所有的物理节点映射到[0-16383]slot（插槽）上，实现动态伸缩

为了保证Redis中每个节点的高可用，我们还可以给每个节点创建replication（slave节点），如图：

出现故障时，主从可以及时切换：

3.4.Redis的常用数据类型有哪些？

支持多种类型的数据结构，主要区别是value存储的数据格式不同：

  • string：最基本的数据类型，二进制安全的字符串，最大512M。

  • list：按照添加顺序保持顺序的字符串列表。

  • set：无序的字符串集合，不存在重复的元素。

  • sorted set：已排序的字符串集合。

  • hash：key-value对格式

3.5.聊一下Redis事务机制

相关资料：

参考：http://redisdoc/topic/transaction.html

Redis事务功能是通过MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH 四个原语实现的。Redis会将一个事务中的所有命令序列化，然后按顺序执行。但是Redis事务不支持回滚操作，命令运行出错后，正确的命令会继续执行。

  • MULTI: 用于开启一个事务，它总是返回OK。 MULTI执行之后，客户端可以继续向服务器发送任意多条命令，这些命令不会立即被执行，而是被放到一个待执行命令队列中
  • EXEC：按顺序执行命令队列内的所有命令。返回所有命令的返回值。事务执行过程中，Redis不会执行其它事务的命令。
  • DISCARD：清空命令队列，并放弃执行事务， 并且客户端会从事务状态中退出
  • WATCH：Redis的乐观锁机制，利用compare-and-set（CAS）原理，可以监控一个或多个键，一旦其中有一个键被修改，之后的事务就不会执行

使用事务时可能会遇上以下两种错误：

  • 执行 EXEC 之前，入队的命令可能会出错。比如说，命令可能会产生语法错误（参数数量错误，参数名错误，等等），或者其他更严重的错误，比如内存不足（如果服务器使用 maxmemory 设置了最大内存限制的话）。
    • Redis 2.6.5 开始，服务器会对命令入队失败的情况进行记录，并在客户端调用 EXEC 命令时，拒绝执行并自动放弃这个事务。
  • 命令可能在 EXEC 调用之后失败。举个例子，事务中的命令可能处理了错误类型的键，比如将列表命令用在了字符串键上面，诸如此类。
    • 即使事务中有某个/某些命令在执行时产生了错误， 事务中的其他命令仍然会继续执行，不会回滚。

为什么 Redis 不支持回滚（roll back）？

以下是这种做法的优点：

  • Redis 命令只会因为错误的语法而失败（并且这些问题不能在入队时发现），或是命令用在了错误类型的键上面：这也就是说，从实用性的角度来说，失败的命令是由编程错误造成的，而这些错误应该在开发的过程中被发现，而不应该出现在生产环境中。
  • 因为不需要对回滚进行支持，所以 Redis 的内部可以保持简单且快速。

鉴于没有任何机制能避免程序员自己造成的错误， 并且这类错误通常不会在生产环境中出现， 所以 Redis 选择了更简单、更快速的无回滚方式来处理事务。

面试话术：

Redis事务其实是把一系列Redis命令放入队列，然后批量执行，执行过程中不会有其它事务来打断。不过与关系型数据库的事务不同，Redis事务不支持回滚操作，事务中某个命令执行失败，其它命令依然会执行。

为了弥补不能回滚的问题，Redis会在事务入队时就检查命令，如果命令异常则会放弃整个事务。

因此，只要程序员编程是正确的，理论上说Redis会正确执行所有事务，无需回滚。

面试官：如果事务执行一半的时候Redis宕机怎么办？

Redis有持久化机制，因为可靠性问题，我们一般使用AOF持久化。事务的所有命令也会写入AOF文件，但是如果在执行EXEC命令之前，Redis已经宕机，则AOF文件中事务不完整。使用 redis-check-aof 程序可以移除 AOF 文件中不完整事务的信息，确保服务器可以顺利启动。

3.6.Redis的Key过期策略

参考资料：

为什么需要内存回收？

  • 1、在Redis中，set指令可以指定key的过期时间，当过期时间到达以后，key就失效了；
  • 2、Redis是基于内存操作的，所有的数据都是保存在内存中，一台机器的内存是有限且很宝贵的。

基于以上两点，为了保证Redis能继续提供可靠的服务，Redis需要一种机制清理掉不常用的、无效的、多余的数据，失效后的数据需要及时清理，这就需要内存回收了。

Redis的内存回收主要分为过期删除策略和内存淘汰策略两部分。

过期删除策略

删除达到过期时间的key。

  • 1）定时删除

对于每一个设置了过期时间的key都会创建一个定时器，一旦到达过期时间就立即删除。该策略可以立即清除过期的数据，对内存较友好，但是缺点是占用了大量的CPU资源去处理过期的数据，会影响Redis的吞吐量和响应时间。

  • 2）惰性删除

当访问一个key时，才判断该key是否过期，过期则删除。该策略能最大限度地节省CPU资源，但是对内存却十分不友好。有一种极端的情况是可能出现大量的过期key没有被再次访问，因此不会被清除，导致占用了大量的内存。

在计算机科学中，懒惰删除（英文：lazy deletion）指的是从一个散列表（也称哈希表）中删除元素的一种方法。在这个方法中，删除仅仅是指标记一个元素被删除，而不是整个清除它。被删除的位点在插入时被当作空元素，在搜索之时被当作已占据。

  • 3）定期删除

每隔一段时间，扫描Redis中过期key字典，并清除部分过期的key。该策略是前两者的一个折中方案，还可以通过调整定时扫描的时间间隔和每次扫描的限定耗时，在不同情况下使得CPU和内存资源达到最优的平衡效果。

在Redis中，同时使用了定期删除和惰性删除。不过Redis定期删除采用的是随机抽取的方式删除部分Key，因此不能保证过期key 100%的删除。

Redis结合了定期删除和惰性删除，基本上能很好的处理过期数据的清理，但是实际上还是有点问题的，如果过期key较多，定期删除漏掉了一部分，而且也没有及时去查，即没有走惰性删除，那么就会有大量的过期key堆积在内存中，导致redis内存耗尽，当内存耗尽之后，有新的key到来会发生什么事呢？是直接抛弃还是其他措施呢？有什么办法可以接受更多的key？

内存淘汰策略

Redis的内存淘汰策略，是指内存达到maxmemory极限时，使用某种算法来决定清理掉哪些数据，以保证新数据的存入。

Redis的内存淘汰机制包括：

  • noeviction: 当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。
  • allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间（server.db[i].dict）中，移除最近最少使用的 key（这个是最常用的）。
  • allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间（server.db[i].dict）中，随机移除某个 key。
  • volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间（server.db[i].expires）中，移除最近最少使用的 key。
  • volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间（server.db[i].expires）中，随机移除某个 key。
  • volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间（server.db[i].expires）中，有更早过期时间的 key 优先移除。

在配置文件中，通过maxmemory-policy可以配置要使用哪一个淘汰机制。

什么时候会进行淘汰？

Redis会在每一次处理命令的时候（processCommand函数调用freeMemoryIfNeeded）判断当前redis是否达到了内存的最大限制，如果达到限制，则使用对应的算法去处理需要删除的key。

在淘汰key时，Redis默认最常用的是LRU算法（Latest Recently Used）。Redis通过在每一个redisObject保存lru属性来保存key最近的访问时间，在实现LRU算法时直接读取key的lru属性。

具体实现时，Redis遍历每一个db，从每一个db中随机抽取一批样本key，默认是3个key，再从这3个key中，删除最近最少使用的key。

面试话术：

Redis过期策略包含定期删除和惰性删除两部分。定期删除是在Redis内部有一个定时任务，会定期删除一些过期的key。惰性删除是当用户查询某个Key时，会检查这个Key是否已经过期，如果没过期则返回用户，如果过期则删除。

但是这两个策略都无法保证过期key一定删除，漏网之鱼越来越多，还可能导致内存溢出。当发生内存不足问题时，Redis还会做内存回收。内存回收采用LRU策略，就是最近最少使用。其原理就是记录每个Key的最近使用时间，内存回收时，随机抽取一些Key，比较其使用时间，把最老的几个删除。

Redis的逻辑是：最近使用过的，很可能再次被使用

3.7.Redis在项目中的哪些地方有用到?

（1）共享session

在分布式系统下，服务会部署在不同的tomcat，因此多个tomcat的session无法共享，以前存储在session中的数据无法实现共享，可以用redis代替session，解决分布式系统间数据共享问题。

（2）数据缓存

Redis采用内存存储，读写效率较高。我们可以把数据库的访问频率高的热点数据存储到redis中，这样用户请求时优先从redis中读取，减少数据库压力，提高并发能力。

（3）异步队列

Reids在内存存储引擎领域的一大优点是提供 list 和 set 操作，这使得Redis能作为一个很好的消息队列平台来使用。而且Redis中还有pub/sub这样的专用结构，用于1对N的消息通信模式。

（4）分布式锁

Redis中的乐观锁机制，可以帮助我们实现分布式锁的效果，用于解决分布式系统下的多线程安全问题

3.8.Redis的缓存击穿、缓存雪崩、缓存穿透

1）缓存穿透

参考资料：

  • 什么是缓存穿透

    • 正常情况下，我们去查询数据都是存在。那么请求去查询一条压根儿数据库中根本就不存在的数据，也就是缓存和数据库都查询不到这条数据，但是请求每次都会打到数据库上面去。这种查询不存在数据的现象我们称为缓存穿透。

  • 穿透带来的问题

    • 试想一下，如果有黑客会对你的系统进行攻击，拿一个不存在的id 去查询数据，会产生大量的请求到数据库去查询。可能会导致你的数据库由于压力过大而宕掉。

  • 解决办法

    • 缓存空值：之所以会发生穿透，就是因为缓存中没有存储这些空数据的key。从而导致每次查询都到数据库去了。那么我们就可以为这些key对应的值设置为null 丢到缓存里面去。后面再出现查询这个key 的请求的时候，直接返回null 。这样，就不用在到数据库中去走一圈了，但是别忘了设置过期时间。
    • BloomFilter（布隆过滤）：将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，一个一定不存在的数据会被 这个bitmap拦截掉，从而避免了对底层存储系统的查询压力。在缓存之前在加一层 BloomFilter ，在查询的时候先去 BloomFilter 去查询 key 是否存在，如果不存在就直接返回，存在再走查缓存 -> 查 DB。

话术：

缓存穿透有两种解决方案：其一是把不存在的key设置null值到缓存中。其二是使用布隆过滤器，在查询缓存前先通过布隆过滤器判断key是否存在，存在再去查询缓存。

设置null值可能被恶意针对，攻击者使用大量不存在的不重复key ，那么方案一就会缓存大量不存在key数据。此时我们还可以对Key规定格式模板，然后对不存在的key做正则规范匹配，如果完全不符合就不用存null值到redis，而是直接返回错误。

2）缓存击穿

相关资料：

  • 什么是缓存击穿？

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，需要考虑一个问题：缓存被“击穿”的问题。

当这个key在失效的瞬间，redis查询失败，持续的大并发就穿破缓存，直接请求数据库，就像在一个屏障上凿开了一个洞。

  • 解决方案：
    • 使用互斥锁(mutex key)：mutex，就是互斥。简单地来说，就是在缓存失效的时候（判断拿出来的值为空），不是立即去load db，而是先使用Redis的SETNX去set一个互斥key，当操作返回成功时，再进行load db的操作并回设缓存；否则，就重试整个get缓存的方法。SETNX，是「SET if Not eXists」的缩写，也就是只有不存在的时候才设置，可以利用它来实现互斥的效果。
    • 软过期：也就是逻辑过期，不使用redis提供的过期时间，而是业务层在数据中存储过期时间信息。查询时由业务程序判断是否过期，如果数据即将过期时，将缓存的时效延长，程序可以派遣一个线程去数据库中获取最新的数据，其他线程这时看到延长了的过期时间，就会继续使用旧数据，等派遣的线程获取最新数据后再更新缓存。

推荐使用互斥锁，因为软过期会有业务逻辑侵入和额外的判断。

面试话术：

缓存击穿主要担心的是某个Key过期，更新缓存时引起对数据库的突发高并发访问。因此我们可以在更新缓存时采用互斥锁控制，只允许一个线程去更新缓存，其它线程等待并重新读取缓存。例如Redis的setnx命令就能实现互斥效果。

3）缓存雪崩

相关资料：

缓存雪崩，是指在某一个时间段，缓存集中过期失效。对这批数据的访问查询，都落到了数据库上，对于数据库而言，就会产生周期性的压力波峰。

解决方案：

  • 数据分类分批处理：采取不同分类数据，缓存不同周期
  • 相同分类数据：采用固定时长加随机数方式设置缓存
  • 热点数据缓存时间长一些，冷门数据缓存时间短一些
  • 避免redis节点宕机引起雪崩，搭建主从集群，保证高可用

面试话术：

解决缓存雪崩问题的关键是让缓存Key的过期时间分散。因此我们可以把数据按照业务分类，然后设置不同过期时间。相同业务类型的key，设置固定时长加随机数。尽可能保证每个Key的过期时间都不相同。

另外，Redis宕机也可能导致缓存雪崩，因此我们还要搭建Redis主从集群及哨兵监控，保证Redis的高可用。

3.9.缓存冷热数据分离

背景资料：

Redis使用的是内存存储，当需要海量数据存储时，成本非常高。

经过调研发现，当前主流DDR3内存和主流SATA SSD的单位成本价格差距大概在20倍左右，为了优化redis机器综合成本，我们考虑实现基于热度统计 的数据分级存储及数据在RAM/FLASH之间的动态交换，从而大幅度降低成本，达到性能与成本的高平衡。

基本思路：基于key访问次数(LFU)的热度统计算法识别出热点数据，并将热点数据保留在redis中，对于无访问/访问次数少的数据则转存到SSD上，如果SSD上的key再次变热，则重新将其加载到redis内存中。

目前流行的高性能磁盘存储，并且遵循Redis协议的方案包括：

  • SSDB：http://ssdb.io/zh_cn/
  • RocksDB：https://rocksdb/

因此，我们就需要在应用程序与缓存服务之间引入代理，实现Redis和SSD之间的切换，如图：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-trSViaXL-1664369664527)(assets/image-20200521115702956.png)]

这样的代理方案阿里云提供的就有。当然也有一些开源方案，例如：https://github/JingchengLi/swapdb

3.10.Redis实现分布式锁

分布式锁要满足的条件：

  • 多进程互斥：同一时刻，只有一个进程可以获取锁
  • 保证锁可以释放：任务结束或出现异常，锁一定要释放，避免死锁
  • 阻塞锁（可选）：获取锁失败时可否重试
  • 重入锁（可选）：获取锁的代码递归调用时，依然可以获取锁

1）最基本的分布式锁：

利用Redis的setnx命令，这个命令的特征时如果多次执行，只有第一次执行会成功，可以实现互斥的效果。但是为了保证服务宕机时也可以释放锁，需要利用expire命令给锁设置一个有效期

setnx lock thread-01 # 尝试获取锁
expire lock 10 # 设置有效期

面试官问题1：如果expire之前服务宕机怎么办？

要保证setnx和expire命令的原子性。redis的set命令可以满足：

set key value [NX] [EX time]

需要添加nx和ex的选项：

  • NX：与setnx一致，第一次执行成功
  • EX：设置过期时间

面试官问题2：释放锁的时候，如果自己的锁已经过期了，此时会出现安全漏洞，如何解决？

在锁中存储当前进程和线程标识，释放锁时对锁的标识判断，如果是自己的则删除，不是则放弃操作。

但是这两步操作要保证原子性，需要通过Lua脚本来实现。

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    redis.call("del",KEYS[1])
end

2）可重入分布式锁

如果有重入的需求，则除了在锁中记录进程标识，还要记录重试次数，流程如下：

下面我们假设锁的key为“lock”，hashKey是当前线程的id：“threadId”，锁自动释放时间假设为20

获取锁的步骤：

  • 1、判断lock是否存在 EXISTS lock
    • 存在，说明有人获取锁了，下面判断是不是自己的锁
      • 判断当前线程id作为hashKey是否存在：HEXISTS lock threadId
        • 不存在，说明锁已经有了，且不是自己获取的，锁获取失败，end
        • 存在，说明是自己获取的锁，重入次数+1：HINCRBY lock threadId 1，去到步骤3
    • 2、不存在，说明可以获取锁，HSET key threadId 1
    • 3、设置锁自动释放时间，EXPIRE lock 20

释放锁的步骤：

  • 1、判断当前线程id作为hashKey是否存在：HEXISTS lock threadId
    • 不存在，说明锁已经失效，不用管了
    • 存在，说明锁还在，重入次数减1：HINCRBY lock threadId -1，获取新的重入次数
  • 2、判断重入次数是否为0：
    • 为0，说明锁全部释放，删除key：DEL lock
    • 大于0，说明锁还在使用，重置有效时间：EXPIRE lock 20

对应的Lua脚本如下：

首先是获取锁：

local key = KEYS[1]; -- 锁的key
local threadId = ARGV[1]; -- 线程唯一标识
local releaseTime = ARGV[2]; -- 锁的自动释放时间

if(redis.call('exists', key) == 0) then -- 判断是否存在
	redis.call('hset', key, threadId, '1'); -- 不存在, 获取锁
	redis.call('expire', key, releaseTime); -- 设置有效期
	return 1; -- 返回结果
end;

if(redis.call('hexists', key, threadId) == 1) then -- 锁已经存在，判断threadId是否是自己	
	redis.call('hincrby', key, threadId, '1'); -- 不存在, 获取锁，重入次数+1
	redis.call('expire', key, releaseTime); -- 设置有效期
	return 1; -- 返回结果
end;
return 0; -- 代码走到这里,说明获取锁的不是自己，获取锁失败

然后是释放锁：

local key = KEYS[1]; -- 锁的key
local threadId = ARGV[1]; -- 线程唯一标识
local releaseTime = ARGV[2]; -- 锁的自动释放时间

if (redis.call('HEXISTS', key, threadId) == 0) then -- 判断当前锁是否还是被自己持有
    return nil; -- 如果已经不是自己，则直接返回
end;
local count = redis.call('HINCRBY', key, threadId, -1); -- 是自己的锁，则重入次数-1

if (count > 0) then -- 判断是否重入次数是否已经为0
    redis.call('EXPIRE', key, releaseTime); -- 大于0说明不能释放锁，重置有效期然后返回
    return nil;
else
    redis.call('DEL', key); -- 等于0说明可以释放锁，直接删除
    return nil;
end;

3）高可用的锁

面试官问题：redis分布式锁依赖与redis，如果redis宕机则锁失效。如何解决？

此时大多数同学会回答说：搭建主从集群，做数据备份。

这样就进入了陷阱，因为面试官的下一个问题就来了：

面试官问题：如果搭建主从集群做数据备份时，进程A获取锁，master还没有把数据备份到slave，master宕机，slave升级为master，此时原来锁失效，其它进程也可以获取锁，出现安全问题。如何解决？

关于这个问题，Redis官网给出了解决方案，使用RedLock思路可以解决：

在Redis的分布式环境中，我们假设有N个Redis master。这些节点完全互相独立，不存在主从复制或者其他集群协调机制。之前我们已经描述了在Redis单实例下怎么安全地获取和释放锁。我们确保将在每（N)个实例上使用此方法获取和释放锁。在这个样例中，我们假设有5个Redis master节点，这是一个比较合理的设置，所以我们需要在5台机器上面或者5台虚拟机上面运行这些实例，这样保证他们不会同时都宕掉。

为了取到锁，客户端应该执行以下操作:

  1. 获取当前Unix时间，以毫秒为单位。
  2. 依次尝试从N个实例，使用相同的key和随机值获取锁。在步骤2，当向Redis设置锁时,客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间。例如你的锁自动失效时间为10秒，则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下，客户端还在死死地等待响应结果。如果服务器端没有在规定时间内响应，客户端应该尽快尝试另外一个Redis实例。
  3. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（步骤1记录的时间）就得到获取锁使用的时间。当且仅当从大多数（这里是3个节点）的Redis节点都取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。
  4. 如果取到了锁，key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间（步骤3计算的结果）。
  5. 如果因为某些原因，获取锁失败（没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间），客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁（即便某些Redis实例根本就没有加锁成功）。

3.11.如何实现数据库与缓存数据一致？

面试话术：

实现方案有下面几种：

  • 本地缓存同步：当前微服务的数据库数据与缓存数据同步，可以直接在数据库修改时加入对Redis的修改逻辑，保证一致。
  • 跨服务缓存同步：服务A调用了服务B，并对查询结果缓存。服务B数据库修改，可以通过MQ通知服务A，服务A修改Redis缓存数据
  • 通用方案：使用Canal框架，伪装成MySQL的salve节点，监听MySQL的binLog变化，然后修改Redis缓存数据

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