[L2] 缓存穿透、缓存击穿与缓存雪崩的区别及防护方案

一句话结论

三类缓存问题本质是「查不到」「单点失效」「批量失效」，分别用空值缓存/布隆、互斥锁、随机 TTL 对症防护。

体系讲解

1. 三类问题根因对比

问题	触发根因	危害
缓存穿透	请求的 key 在缓存和 DB 中均不存在	每次请求都打穿到 DB，可被恶意利用放大攻击
缓存击穿	单个热点 key 缓存恰好过期，大量并发同时穿透	"狗堆效应"导致 DB 瞬时压力激增
缓存雪崩	大批量 key 同时过期，或 Redis 实例宕机	DB 瞬间承接全量流量，可能级联崩溃

2. 防护方案选型

问题	方案	适用场景
穿透	缓存空值（短 TTL）	实现简单，不存在的 key 量级可控
穿透	布隆过滤器	数据量大、恶意枚举场景，提前过滤不存在的 key
击穿	互斥锁（SET NX EX）	保证只有一个请求回源 DB，其余等待重试
击穿	逻辑过期（不设 TTL）	牺牲短暂一致性换取高可用
雪崩	随机 TTL（基础值 + 随机偏移）	打散批量过期时间
雪崩	Redis 高可用（主从 + 哨兵 / Cluster）	防实例宕机导致整体缓存失效

3. 互斥锁防击穿流程

考察意图

考察候选人能否识别三类问题的根因差异，并根据业务场景（数据是否存在、key 是否热点、过期是否集中）选择合适的防护组合——这是任何有缓存层的业务系统必备的设计能力。

追问链

1. 布隆过滤器如何防缓存穿透？它有什么局限性？
   布隆过滤器用多个哈希函数将合法 key 映射到 bit 数组，查询时若任意一位为 0 则 key 必不存在，可在缓存前直接拦截。局限性：存在误判率（false positive，可能误杀合法 key），且标准布隆过滤器不支持删除元素。

2. 互斥锁方案中，持锁线程崩溃了怎么办？
   必须使用 SET lock 1 NX EX 5 原子命令同时设置锁和过期时间，防止持锁线程崩溃后锁永不释放。仅用 SETNX 再单独 EXPIRE 是非原子的，存在死锁风险。

3. 随机 TTL 偏移量如何选取？
   通常取基础 TTL 的 10%–30% 作为随机区间，例如基础 300s 则设 300 + random_int(0, 60)。偏移量过小打散效果差，过大会显著缩短热点数据的有效缓存时长。

4. 缓存击穿与缓存雪崩的本质区别是什么？
   击穿是单个热点 key 过期后的并发穿透，锁住一个 key 即可解决；雪崩是大批量 key 集中过期或整个缓存层不可用，需从 TTL 分散和架构高可用两个维度应对。

易错点

1. 混淆穿透与击穿：穿透是数据在缓存和 DB 中都不存在（根本没这个数据）；击穿是数据存在于 DB 但缓存恰好过期。解决方案完全不同。

2. 互斥锁忘设过期时间：只用 SETNX 不设 EX，持锁线程崩溃后锁永不释放，后续请求全被阻塞，将击穿问题变成可用性问题。

3. 空值缓存 TTL 过长：恶意请求大量不存在的 key，空值堆满 Redis 内存，触发内存淘汰反而驱逐正常热点数据，间接引发雪崩。

代码示例

function getProduct(Redis $redis, PDO $pdo, int $id): ?array
{
    $cacheKey = "product:{$id}";
    $lockKey  = "lock:{$cacheKey}";

    // 1. 读缓存（空值用哨兵字符串区分「数据不存在」与「缓存未命中」）
    $cached = $redis->get($cacheKey);
    if ($cached !== false) {
        return $cached === 'NULL' ? null : json_decode($cached, true);
    }

    // 2. 互斥锁防击穿（SET NX EX 原子操作）
    if (!$redis->set($lockKey, 1, ['NX', 'EX' => 5])) {
        usleep(50_000); // 等待 50ms 后重试
        return getProduct($redis, $pdo, $id);
    }

    try {
        $stmt = $pdo->prepare("SELECT * FROM products WHERE id = ?");
        $stmt->execute([$id]);
        $data = $stmt->fetch(PDO::FETCH_ASSOC) ?: null;

        // 3. 随机 TTL 防雪崩；空值短 TTL 防穿透
        $ttl   = $data ? (300 + random_int(0, 60)) : 30;
        $value = $data ? json_encode($data) : 'NULL';
        $redis->setex($cacheKey, $ttl, $value);

        return $data;
    } finally {
        $redis->del($lockKey);
    }
}