Web开发基本准则-55实录-缓存策略

关键词：
会话串号，Cache-Control头域，缓存穿透，缓存集体失效，缓存重建，缓存雪崩，缓存永不过期，缓存计数器，

二，缓存策略
  这里的“缓存”概念不只限于服务器端的“缓存”。

2.1.防会话串号
  如果你收到一个投诉，说访问“我的个人中心”页面时进入其他人的帐号，至少订单列表上显示的不是自己的。此时，技术支持人员可以提三个问题，第一，对页面上显示的信息是否有操作权限，如取消订单；第二，浏览器地址栏上给URL增加访问参数，如追加一个&111之类的字符串，看看页面是否还是显示别人的信息；第三，投诉者上网接入方式是什么，如铁通光纤宽带，如通过某款代理软件上网。
  如果既无操作权限，追加URL参数后又能看到自己的帐号信息或页面提示处于未登录状态，那么说明是URL已被各级 HTTP Proxies 缓存：
  即在服务器端收到 Request 之前，网络链路上的某一级代理已返回缓存数据。
 
2.1.1.简单办法，如利用Expiration Model
  第一种：如果页面 Response 里设置了正确的 Last-modified 和 Expires 头域，那么 基本过期模型 已经能正常运转了，因此，头域里的 Cache-Control:private 声明就已经够了，HTTP Caches 和 User Agent 都会根据这两个字段检查缓存网页是否陈旧。
  第二种：重要页面的URL上加时间戳参数。
  第三种：像淘宝博文[注1]所描述的：“cookie 里增加一个值，用来记录通过关键 cookie 计算出来的签名，这个签名的算法非常简单。每次请求到服务端的时候 session 框架代码里会对此签名进行匹配，如果和服务端获取的数据签名出来的值是一致的，则认为合法，否则清空 session 信息和 cookie 信息，让用户重新登录。”

2.1.2.需要有更多背景知识的办法：利用 Cache-Control 头域控制
  Web开发工程师都需要了解 Cache-control 头域背后的 HTTP 1.1缓存控制机制和缓存重验证机制。

  先说处理办法是：含个人敏感信息的网页响应头里，声明 Cache-Control:must-revalidate,proxy-revalidate,no-store,private,no-cache 即可。

  下面简单地介绍一下背景知识，详细信息请阅读 HTTP/1.1 RFC2616, section 13 HTTP里的缓存 和 HTTP/1.1 RFC2616, section 14 头域定义，或找到 HTTP 1.1协议中文版阅读。
  HTTP1.1协议定义，Response 是可以被各种 HTTP caches 缓存的。
  除非有 Cache-Control 控制指令的特殊约定，否则从浏览器端到源服务器（origin server）端之间链路上所存在的各种 Caching System 都完全有可能缓存一个成功的 response：
  如果这个 cache entry 是 fresh 的，可能不会（去源服务器端）校验直接返回；也可能会做一个校验再返回。
  一个状态码是200, 203, 206, 300, 301, 410的 response，可能会被缓存。

2.2.缓存穿透
目的
防止访问（短期内）必然不存在的数据导致请求穿透缓存直接打到 DB。
原因
可能是数据真的不存在，但也可能是第三方恶意构造大量不存在的 id 来冲击 DB。
多种手段结合
『存储EMPTY』思路：存储一个 EMPTY 对象到缓存对应键值，设置一个较短的过期时间。这样在缓存失效后，还能继续查询数据是否存在。
必须认真对待（不同业务不同端口的）缓存命中率（get_hits/cmd_get * 100）定期监控的结果，认真审视那些命中率低的缓存端口，找到命中率低的原因，提出优化方案。
『先行校验』思想：采用布隆过滤器算法，将所有可能存在的数据（如所有有效商品的id）哈希到一个足够大的 bitmap 里，那么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。（出处）

2.3.”半缓存“策略
  缓存命中率低，其中一个原因是，你缓存的数据被人访问间隔长、几率低，于是在下次访问到来之前缓存早已失效。命中率低，为我们指出了优化方向。
  如，用户在查询一个列表页时，我们可以把前6页的数据缓存起来，再往后的页码，访问频次很低，也许就不需要缓存了。（出处）

2.4.缓存集体失效
  以下原因都会导致缓存集体失效，从而引发系统”抖动“甚至”雪崩“：
系统预热数据的缓存过期时间过于整齐划一；
缓存系统宕机或重启；
访问高峰期间种下了一大批缓存，过期时间非常接近。
  处理手段：
缓存过期时间散列开：在过期时间基础上增加一个随机值，如1秒～120秒随机，将大家的过期时间尽量打散。
防范缓存节点暂不可用的缓存双写策略：
memcache双写：向 memcahce 的 Master Ring 和 Backup Ring 双写，如下图1所示：
图1 memcache 双写 原图出自点评技术PPT
Redis备份写：向 memcache 写入的同时，写一份到备份缓存 Redis 里，键值的缓存过期时间非常大，如原键值在 memcache 过期时间5分钟，在 Redis 里则8小时过期。当 memcache 集群节点暂不可用时，Web工程就切换读取备用缓存 Redis。这种思路是保证基本可用性，所以必要时刻可以给用户返回脏数据。
对于不同的业务场景，缓存的使用策略也不同：
当系统面临缓存异常的危险时，有些系统可以采用备份方案继续支撑服务。有些系统则会优雅降级，将某些依赖缓存的功能直接去除，保证主服务的正确性。所以这两种策略的选择需要根据实际的业务场景考虑并实施。（出处）

2.5.分级缓存
  有些业务场景里，应该把 DB 当成仅是一个存储而已，靠分级缓存策略来层层抵挡缓存失效，不让请求打到 DB。
手段：
由远及近分层建立缓存，越靠近前端，缓存片段越大（或存储粒度越大）。
上一层的缓存失效，可以靠下一级的缓存迅速重建。
目的：
避免系统产生抖动。
减少缓存雪崩，防止 DB 连接数暴涨、响应变慢，连累前端应用连接数持续高涨、最后宕机。

图2 缓存控制体系（图出自 http://www.alidata.org/archives/1789 ）

2.6.缓存重建
  既然有缓存过期，自然有缓存重建。
  热点数据的缓存重建，无论是本地缓存还是远端缓存，都有必要加锁来确保进程内同一时刻只有一个 Worker 负责重建，甚至利用分布式锁保证集群环境下只有一个重建者，避免缓存雪崩时的 Race Condition。TimYang 早在2010年在《Memcache mutex设计模式》中描述过如下风险：”在大并发的场合，当cache失效时，大量并发同时取不到cache，会同一瞬间去访问db并回设cache，可能会给系统带来潜在的超负荷风险。我们曾经在线上系统出现过类似故障。“孙立将这种场景称为 cache key mutex 问题[注7]。

图3 cache key mutex 问题的解决（图出自 http://www.cnblogs.com/sunli/archive/2010/07/27/cache_key_mutex.html）
  简而言之，缓存重建时，当多个 Client 对同一个缓存数据发起请求时，会在客户端采用加锁等待的方式，对同一个 CacheKey 的重建需要获取到相应的排他锁才行，只有拿到锁的 Client 才能访问数据库重建缓存，其他的 Client 都需要等待这个拿到锁的 Client 重建好缓存后直接读缓存。这样，对同一个缓存数据，只有一次数据库重建访问。但是如果访问分散比较严重，还是会瞬间对数据库造成非常大的压力。

  当然也可以不加（悲观）锁，那么多线程并发读写同一个 cache key 可能会带来“ABA问题”。
  解决方法很简单：memcached 1.2.5以及更高版本提供了 gets 和 cas 命令。如果使用 gets 命令查询某个键值，memcached 会返回该键值的唯一标识 casUnique。如果覆写了这个键值并想把它写回到 memcached 中，可以通过 cas 命令把那个 casUnique 一起发送给 memcached。如果该键值存放在 memcached 中的 casUnique 与提供的一致，写操作将会成功。如果另一个进程在这期间也修改了这个键值，那么该键值存放在 memcached 中的 casUnique 将会改变，写操作就会失败。

2.7.缓存永不过期
  因为担心缓存失效带来的系统抖动，所以有些业务场景会让缓存永不过期，数据变化时，由后端负责维护缓存数据一致性。

2.8.电商场景里的缓存计数器：秒杀和超卖
  我们在秒杀和防超卖场景里的实现逻辑类似于淘宝这篇博客[注3]所提及的”分布式缓存计数器“，所以我就直接照搬过来了：
    分布式缓存的另一个应用场景是缓存计数器。

    对于多服务器的系统，分布式缓存提供了统一的存储和原子操作，便于集群环境下的使用。库存计数器是分布式缓存的一个典型应用场景， 对于集群中的每一台机器，库存都应该是一个统一的值，因此使用本地缓存记录库存，数据肯定是不准确的（下面会陈述例外情况）。因此，统一的存储空间是必要 的条件。

    由于库存数据被多台机器共享，因此，必须使用锁机制控制多个请求的并行并发问题。基于这样的机制就可以实行库存技术器的作用，防止货物超卖。最近的积分商城超值兑换就是使用的这种机制。

    这种机制下，需要注意操作的逻辑顺序，错误的顺序会导致意想不到的结果。积分兑换的业务流程为，用户看到要抢兑的商品，如果库存大于0，则用户可以点击抢兑操作，这时用户会获得兑换该商品的权限，从而优惠购买，这时库存商品应该减一。

    如果完全按照这个业务流程，我们会完成下面这三步操作：

验证库存是否大于0；
给用户打标，使其获得优惠购买资格；
获得资格后，原子减库存，记录用户购买记录。
    乍一看这样的逻辑是很正常的，但是考虑一下异常情况，就会发现它防不住超卖。如果库存只有一件，那么多个用户并发验证库存时，都大于0。这样并发的多个用户都会获得优惠资格，产生了超卖。

    正确的逻辑为：

验证库存是否大于0，小于0直接返回；
原子减库存，返回的结果如果小于0说明已经没有库存，直接返回；
如果返回的当前库存大于等于0，为用户打标，如果打标成功，记录用户购买记录；如果打标失败，回补原子库存。
    这样的方法，无法保证缓存中的值一定大于等于0，因为并发的发生会把缓存减为负数，但是，真正能够优惠购买的用户一定是小于等于库存数的。因为，每次原子减操作后，只有返回的库存值大于等于零的用户才能够获得购买资格。无论并发量有多大，原子操作都会成功的防止超卖的发生。

    对于上述的逻辑，可以应对绝大多数的情况。
    但是随着量的增加，这种方式也有风险。当用户量极大、货物的库存极少时，就变成了秒杀。这个时候，大量的用户涌入分布式缓存减库存，对分布式缓存有极大冲击，一旦分布式缓存挂掉，秒杀活动也就宣告失败。使用分布式缓存，目的是为了让用户准确的看到剩余库存数 目，秒杀活动非常快，用户还没有看清楚库存，活动就结束了。其实用户只关心有没有秒到商品，并不关心库存的剩余数量，因此，库存减得准不准确并不是主要矛盾，这时就可以放弃分布式缓存的设计，转而使用本地缓存存储库存数，这也就是本地缓存使用的第二个场景。
    比如，一共有10件商品，2台机器，可以设置每台机器的本地内存中库存等于10，那么对于外网的千万个用户，就可以有20个人抢到商品，剩下的人都 被挡在库存之外。当这20个人抢到后，就可以实现另一个处理逻辑，从20个人中选出10个真正中标的人，获得10个商品的购买权限。这个选择的逻辑非常灵活，可随意定制。但是从20选10的操作，无论如何也比从千千万万个人中选10要好的多，这样可以确保秒杀的安全完成。
    如果秒杀的人继续增多，那么也可以通过客户端（即javascript）设置格挡率的方法，使少量的用户可以发出请求到服务器，绝大多数的用户都被挡在浏览器上。（注：一些技术人士在2013年吐槽小米网站抢购小米手机时，浏览器模拟排队等待其实没有发出任何网络请求，这就是客户端格挡率生效的结果。）

-未完待续-

备注参考资源：
1，2013，淘宝中间件团队，说说会话串号；
2，2012，腾讯Alloy团队，【Web缓存机制概述】2 – Web浏览器的缓存机制；
3，2013，淘宝搜索技术，关于缓存（上）；
4，2013，范凯，Web应用的缓存设计模式；
5，2012，kenny，Cache Reload机制设计和实现（防止cache失效引发雪崩） （注：只看他的故障现象即可）；
6，2010，timyang，Memcache mutex设计模式；
7，2010，孙立，cache中的key mutex问题解决及延伸应用；
延伸阅读：
1，前端工程打开速度优化的循序渐进总结；
2，Web开发基本准则-55实录-Web访问安全；
3，最佳实践系列：前端代码标准和最佳实践；
4，电商课题VII：支付交易一般性准则。


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