缓存与数据库一致性保证

本文主要讨论这么几个问题：

（1）啥时候数据库和缓存中的数据会不一致

（2）不一致优化思路

（3）如何保证数据库与缓存的一致性


一、需求缘起

上一篇《缓存架构设计细节二三事》（点击查看）引起了广泛的讨论，其中有一个结论：当数据发生变化时，“先淘汰缓存，再修改数据库”这个点是大家讨论的最多的。


上篇文章得出这个结论的依据是，由于操作缓存与操作数据库不是原子的，非常有可能出现执行失败。




假设先写数据库，再淘汰缓存：第一步写数据库操作成功，第二步淘汰缓存失败，则会出现DB中是新数据，Cache中是旧数据，数据不一致【如上图：db中是新数据，cache中是旧数据】。




假设先淘汰缓存，再写数据库：第一步淘汰缓存成功，第二步写数据库失败，则只会引发一次Cache miss【如上图：cache中无数据，db中是旧数据】。



结论：先淘汰缓存，再写数据库。



引发大家热烈讨论的点是“先操作缓存，在写数据库成功之前，如果有读请求发生，可能导致旧数据入缓存，引发数据不一致”，这就是本文要讨论的主题。


二、为什么数据会不一致

回顾一下上一篇文章中对缓存、数据库进行读写操作的流程。

写流程：

（1）先淘汰cache

（2）再写db

读流程：

（1）先读cache，如果数据命中hit则返回

（2）如果数据未命中miss则读db

（3）将db中读取出来的数据入缓存



什么情况下可能出现缓存和数据库中数据不一致呢？



在分布式环境下，数据的读写都是并发的，上游有多个应用，通过一个服务的多个部署（为了保证可用性，一定是部署多份的），对同一个数据进行读写，在数据库层面并发的读写并不能保证完成顺序，也就是说后发出的读请求很可能先完成（读出脏数据）：

（a）发生了写请求A，A的第一步淘汰了cache（如上图中的1）

（b）A的第二步写数据库，发出修改请求（如上图中的2）

（c）发生了读请求B，B的第一步读取cache，发现cache中是空的（如上图中的步骤3）

（d）B的第二步读取数据库，发出读取请求，此时A的第二步写数据还没完成，读出了一个脏数据放入cache（如上图中的步骤4）

即在数据库层面，后发出的请求4比先发出的请求2先完成了，读出了脏数据，脏数据又入了缓存，缓存与数据库中的数据不一致出现了


三、不一致优化思路

能否做到先发出的请求一定先执行完成呢？常见的思路是“串行化”，今天将和大家一起探讨“串行化”这个点。

先一起细看一下，在一个服务中，并发的多个读写SQL一般是怎么执行的




上图是一个service服务的上下游及服务内部详细展开，细节如下：

（1）service的上游是多个业务应用，上游发起请求对同一个数据并发的进行读写操作，上例中并发进行了一个uid=1的余额修改（写）操作与uid=1的余额查询（读）操作

（2）service的下游是数据库DB，假设只读写一个DB

（3）中间是服务层service，它又分为了这么几个部分

（3.1）最上层是任务队列

（3.2）中间是工作线程，每个工作线程完成实际的工作任务，典型的工作任务是通过数据库连接池读写数据库

（3.3）最下层是数据库连接池，所有的SQL语句都是通过数据库连接池发往数据库去执行的



工作线程的典型工作流是这样的：

void work_thread_routine(){

Task t = TaskQueue.pop(); // 获取任务

// 任务逻辑处理，生成sql语句

DBConnection c = CPool.GetDBConnection(); // 从DB连接池获取一个DB连接

c.execSQL(sql); // 通过DB连接执行sql语句

CPool.PutDBConnection(c); // 将DB连接放回DB连接池

}



提问：任务队列其实已经做了任务串行化的工作，能否保证任务不并发执行？

答：不行，因为

（1）1个服务有多个工作线程，串行弹出的任务会被并行执行

（2）1个服务有多个数据库连接，每个工作线程获取不同的数据库连接会在DB层面并发执行



提问：假设服务只部署一份，能否保证任务不并发执行？

答：不行，原因同上



提问：假设1个服务只有1条数据库连接，能否保证任务不并发执行？

答：不行，因为

（1）1个服务只有1条数据库连接，只能保证在一个服务器上的请求在数据库层面是串行执行的

（2）因为服务是分布式部署的，多个服务上的请求在数据库层面仍可能是并发执行的



提问：假设服务只部署一份，且1个服务只有1条连接，能否保证任务不并发执行？

答：可以，全局来看请求是串行执行的，吞吐量很低，并且服务无法保证可用性



完了，看似无望了，

1）任务队列不能保证串行化

2）单服务多数据库连接不能保证串行化

3）多服务单数据库连接不能保证串行化

4）单服务单数据库连接可能保证串行化，但吞吐量级低，且不能保证服务的可用性，几乎不可行，那是否还有解？



退一步想，其实不需要让全局的请求串行化，而只需要“让同一个数据的访问能串行化”就行。

在一个服务内，如何做到“让同一个数据的访问串行化”，只需要“让同一个数据的访问通过同一条DB连接执行”就行。

如何做到“让同一个数据的访问通过同一条DB连接执行”，只需要“在DB连接池层面稍微修改，按数据取连接即可”

获取DB连接的CPool.GetDBConnection()【返回任何一个可用DB连接】改为

CPool.GetDBConnection(longid)【返回id取模相关联的DB连接】



这个修改的好处是：

（1）简单，只需要修改DB连接池实现，以及DB连接获取处

（2）连接池的修改不需要关注业务，传入的id是什么含义连接池不关注，直接按照id取模返回DB连接即可

（3）可以适用多种业务场景，取用户数据业务传入user-id取连接，取订单数据业务传入order-id取连接即可

这样的话，就能够保证同一个数据例如uid在数据库层面的执行一定是串行的



稍等稍等，服务可是部署了很多份的，上述方案只能保证同一个数据在一个服务上的访问，在DB层面的执行是串行化的，实际上服务是分布式部署的，在全局范围内的访问仍是并行的，怎么解决呢？能不能做到同一个数据的访问一定落到同一个服务呢？


四、能否做到同一个数据的访问落在同一个服务上？

上面分析了服务层service的上下游及内部结构，再一起看一下应用层上下游及内部结构





上图是一个业务应用的上下游及服务内部详细展开，细节如下：

（1）业务应用的上游不确定是啥，可能是直接是http请求，可能也是一个服务的上游调用

（2）业务应用的下游是多个服务service

（3）中间是业务应用，它又分为了这么几个部分

（3.1）最上层是任务队列【或许web-server例如tomcat帮你干了这个事情了】

（3.2）中间是工作线程【或许web-server的工作线程或者cgi工作线程帮你干了线程分派这个事情了】，每个工作线程完成实际的业务任务，典型的工作任务是通过服务连接池进行RPC调用

（3.3）最下层是服务连接池，所有的RPC调用都是通过服务连接池往下游服务去发包执行的



工作线程的典型工作流是这样的：

voidwork_thread_routine(){

Task t = TaskQueue.pop(); // 获取任务

// 任务逻辑处理，组成一个网络包packet，调用下游RPC接口

ServiceConnection c = CPool.GetServiceConnection(); // 从Service连接池获取一个Service连接

c.Send(packet); // 通过Service连接发送报文执行RPC请求

CPool.PutServiceConnection(c); // 将Service连接放回Service连接池

}



似曾相识吧？没错，只要对服务连接池进行少量改动：

获取Service连接的CPool.GetServiceConnection()【返回任何一个可用Service连接】改为

CPool.GetServiceConnection(longid)【返回id取模相关联的Service连接】

这样的话，就能够保证同一个数据例如uid的请求落到同一个服务Service上。

                                                                                 
五、总结

由于数据库层面的读写并发，引发的数据库与缓存数据不一致的问题（本质是后发生的读请求先返回了），可能通过两个小的改动解决：

（1）修改服务Service连接池，id取模选取服务连接，能够保证同一个数据的读写都落在同一个后端服务上

（2）修改数据库DB连接池，id取模选取DB连接，能够保证同一个数据的读写在数据库层面是串行的


六、遗留问题

提问：取模访问服务是否会影响服务的可用性？

答：不会，当有下游服务挂掉的时候，服务连接池能够检测到连接的可用性，取模时要把不可用的服务连接排除掉。



提问：取模访问服务与 取模访问DB，是否会影响各连接上请求的负载均衡？

答：不会，只要数据访问id是均衡的，从全局来看，由id取模获取各连接的概率也是均等的，即负载是均衡的。



提问：要是数据库的架构做了主从同步，读写分离：写请求写主库，读请求读从库也有可能导致缓存中进入脏数据呀，这种情况怎么解决呢（读写请求根本不落在同一个DB上，并且读写DB有同步时延）？

答：下一篇文章和大家分享。

http://oicwx.com/detail/830856