Redis 缓存击穿与雪崩的落地防护：互斥重建、过期抖动与空值缓存

背景

缓存出问题时，数据库往往是第一个扛不住的。常见的三类问题容易被混在一起：

• 穿透：查询的数据本来就不存在，每次都落到数据库。
• 击穿：某个热点 key 过期的瞬间，大量并发请求同时回源。
• 雪崩：大批 key 在同一时间过期，或缓存整体不可用，流量一起压向数据库。

本文给出每一类对应的工程做法和示例代码。

一、穿透：缓存空值与参数校验

请求的 id 在库里不存在，缓存里自然也没有，攻击或脏数据会让数据库持续承受无效查询。

1. 入口先做参数合法性校验，比如 id 的范围、格式。
2. 对查不到的结果缓存一个空值，并设置较短的过期时间：

NULL_MARK = "__NULL__"

def get_user(uid):
    v = redis.get(f"user:{uid}")
    if v is not None:
        return None if v == NULL_MARK else json.loads(v)
    row = db.query_user(uid)
    if row is None:
        redis.set(f"user:{uid}", NULL_MARK, ex=60)   # 空值短 TTL
        return None
    redis.set(f"user:{uid}", json.dumps(row), ex=3600)
    return row

1. 数据量大、key 空间可预知时，可以用布隆过滤器提前拦截一定不存在的 key。布隆过滤器有误判率，只会把“不存在”误判成“可能存在”，不会漏掉真实存在的 key。

二、击穿：互斥重建

热点 key 过期时，只允许一个请求去重建缓存，其余请求等待或返回旧值。用 SET NX EX 实现简单的互斥锁：

def get_hot(key, loader, ttl=600):
    v = redis.get(key)
    if v is not None:
        return json.loads(v)
    lock = f"lock:{key}"
    token = uuid.uuid4().hex
    if redis.set(lock, token, nx=True, ex=10):
        try:
            data = loader()
            redis.set(key, json.dumps(data), ex=ttl)
            return data
        finally:
            # 只释放自己持有的锁
            if redis.get(lock) == token.encode():
                redis.delete(lock)
    time.sleep(0.05)
    return get_hot(key, loader, ttl)   # 实际使用要限制重试次数

注意事项：

• 锁要设置过期时间，防止持锁进程崩溃造成死锁。
• 释放锁前要校验持有者。上面“先 get 再 delete”不是原子的，严格场景应使用 Lua 脚本比较并删除。
• 等待方要有重试上限和降级返回，避免请求堆积。

另一种做法是逻辑过期：缓存里存数据和一个逻辑过期时间，过期后仍返回旧值，同时由单个后台任务异步刷新。适合对短暂不一致可以容忍的热点数据。

三、雪崩：过期时间加随机抖动

批量预热的 key 如果使用相同的 TTL，会在同一刻集中过期。给 TTL 加上随机偏移：

import random
ttl = 3600 + random.randint(0, 600)
redis.set(key, value, ex=ttl)

此外：

1. 限流和降级：回源数据库前加限流，超过阈值直接返回兜底数据或错误，保护数据库。
2. 多级缓存：进程内缓存加 Redis，短时间的 Redis 抖动不会立刻打到数据库。
3. 高可用：使用主从加故障切换或集群，避免单点导致缓存整体不可用。云上可使用云数据库 Redis 的多副本架构，具体规格以控制台为准。
4. 预热和错峰：上线或重启后，提前加载热点数据，分批进行。

四、怎么验证防护有效

1. 压测时手动删除热点 key，观察数据库查询数是否只有一次，而不是等于并发数。
2. 监控缓存命中率、数据库 QPS 和慢查询，命中率骤降要有告警。
3. 构造不存在的 id 批量请求，确认数据库没有被持续访问。
4. 模拟 Redis 不可用，确认降级路径能工作。

小结

防护要分层做，单靠任何一种都不够，并且需要用压测和监控验证。