优雅的接口调优之本地缓存优化

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2024年03月28日 12:49 · 阅读数 4

接口慢，真的就是什么都慢了，因为后端程序员起早贪黑做一大堆功能能暴露出来的也就一个接口给前端。所以对接口进行性能调优是必须的工作。本地缓存是接口调优的一种常见手段，可以显著提高接口响应速度和减轻后端负载。我们这篇文章就研究研究在进行本地缓存优化时，需要考虑的几个方面：

数据访问模式分析

首先需要了解接口的数据访问模式，包括读写比例、数据的热点分布、数据的更新频率等。这有助于确定何时应该使用本地缓存以及缓存的生命周期。

拿商城举个例子:

如果商品信息相对稳定且查询频率高，可以考虑使用缓存，提高查询性能。
如果需要关联查询其他表的信息，可以优化数据库查询语句，或者考虑使用数据库索引。
如果商品信息变更频率较低，可以考虑定期刷新缓存而不是每次查询都刷新。
如果实时性要求不高，可以通过异步任务定期更新缓存，减轻查询时的数据库负担。

选择合适的缓存策略

根据数据的特性和访问模式选择合适的缓存策略。常见的缓存策略包括：

基于时间的过期策略： 设置缓存数据的有效期，一旦过期则需要重新从后端获取新数据。比如一些定期秒杀的产品信息，过期后则不参与活动。
基于事件的刷新策略： 在特定事件触发时，如数据更新或特定时间间隔过去时，触发缓存的刷新。
基于写入失效策略： 当后端数据发生变化时，使相应的缓存失效，下一次访问时重新获取最新数据。

那基于事件的刷新策略和基于写入失效策略乍一看差不多啊，有什么区别呢？

	基于事件的刷新策略	基于写入失效策略
触发方式	缓存的更新是由事件触发的。通常，当数据发生变化时，系统会产生相应的事件，这些事件会被用来触发缓存的刷新操作。	缓存的更新是由写入操作导致的。当数据发生写入操作时，会导致缓存失效，下一次对该数据的访问会重新加载最新的数据到缓存中。
优势	可以实现实时的缓存更新，因为只有在数据发生变化时才会触发缓存刷新，而不是等到缓存失效时才进行刷新。	简单且易于实现，适用于写入操作相对较少、数据变更不频繁的场景。
适用场景	适用于需要实时更新缓存的场景，特别是在数据变更频率较高的情况下。	适用于对数据实时性要求不高，可以接受在缓存失效后才进行刷新的场景。

总结一下就是以下三点：

时效性： 基于事件的刷新策略更强调实时性，因为它是在数据发生变化时立即触发缓存刷新；而基于写入失效策略相对更简单，但在数据失效后才进行刷新，可能存在一定的延迟。

复杂性： 基于事件的刷新策略可能涉及事件监听、订阅-发布等复杂机制，而基于写入失效策略相对简单，只需处理缓存失效的情况即可。

适用场景： 选择合适的策略取决于应用的需求。如果要求实时性高，选择基于事件的刷新策略；如果对实时性要求不高，且写入操作相对较少，可以选择基于写入失效策略。

缓存键的设计

设计良好的缓存键对于缓存的效果至关重要。缓存键应该包含能够唯一标识数据的信息，避免缓存键冲突。

一般遵循以下原则：

唯一性： 缓存键必须能够唯一标识一个数据项，确保每个数据项都有独特的缓存键。
易于构造： 缓存键的构造应当简单高效，能够方便地由系统生成。不能在这个操作上耗费性能。
易于管理： 缓存键的命名应当清晰明了，易于管理和维护。
可读性： 缓存键应当具有一定的可读性，方便调试和排查问题。也就是有一定的规则，见书如晤。

假设我们要查询商品的详细信息，包括商品ID、商品名称、商品价格等。我们可以考虑以商品ID作为缓存键，因为每个商品都有唯一的ID。

并且可以在系统中维护一个缓存键的管理文档，记录每个接口的缓存键格式和生成规则。

缓存预热

在系统启动时或在低峰期，预先加载缓存，以提高系统的响应速度。这对于一些固定且频繁访问的数据非常有效。

一般加载一些热门商品、新上架商品等常被查询的商品信息。在大型电商实际应用中，将商品全部加载到缓存对缓存来说也是不小的负担。

那缓存预热的时机呢

系统启动时触发： 在系统启动时通过初始化任务或监听器触发缓存预热。
定时任务触发： 设置定时任务，定期执行缓存预热操作，确保缓存中的数据保持新鲜。

并且对于热门商品可能会变化的情况，可以考虑实时或定期更新缓存中的商品信息。

使用合适的缓存工具

选择合适的缓存工具和库，如内存缓存（例如 Caffeine、Guava Cache）、分布式缓存（例如 Redis、Memcached）等。根据系统规模和需求选择合适的缓存存储。

大概说一下不同缓存的区别和优缺点：

	适用场景	优点	缺点
Redis	Redis 是一款高性能的内存数据库，适用于读多写少、对性能要求较高的场景。它支持多种数据结构，包括字符串、列表、集合、有序集合等，适用于各种复杂的业务需求。	快速读写、支持持久化、支持事务、支持发布订阅模式、支持分布式部署。	相对较高的内存消耗，不适用于大规模数据存储。
Memcached	Memcached 也是一种内存缓存工具，适用于简单的键值对存储，读写速度非常快。主要用于缓存简单数据，如会话数据、页面片段等。	高性能、低延迟、简单的键值对存储。	不支持持久化、不支持复杂数据结构、无认证机制。
Ehcache	Ehcache 是一种基于 Java 的进程内缓存工具，适用于单体应用或小规模集群。常用于缓存方法调用的结果，减轻数据库压力。	易于集成、支持分布式、本地缓存和分布式缓存兼容。	仅适用于单一语言（Java）。
Guava Cache	Guava Cache 是 Google Guava 提供的本地缓存工具，适用于单体应用或小规模集群。常用于缓存计算结果，避免重复计算。	易于使用、支持本地缓存、提供过期策略。	不支持分布式环境。
Caffeine	Caffeine 是一种高性能的 Java 缓存库，适用于本地缓存场景。常用于替代 Guava Cache，提供更好的性能。	快速、内存友好、提供各种过期策略。	不支持分布式环境。
Hazelcast	Hazelcast 是一种开源的分布式缓存工具，适用于构建分布式系统。常用于缓存分布式环境中的共享数据。	分布式、水平扩展、支持复杂数据结构。	部署和维护相对较复杂。

选择缓存工具的原则：

根据具体场景需求选择合适的缓存工具。
考虑缓存的一致性要求，是否需要分布式缓存。
对于读多写少的场景，可以选择性能较高的内存数据库，如 Redis。
对于简单的键值对缓存需求，可以选择 Memcached。
本地缓存适用于单体应用，分布式缓存适用于分布式系统。

综合考虑业务需求、性能要求和可维护性，选择适合的缓存工具有助于提高系统性能。

缓存穿透和雪崩的防范：

缓存穿透： 当查询一个不存在的数据时，由于缓存未命中，会导致请求直接访问后端，增加后端负载。可采用布隆过滤器等机制拦截不存在的请求。
缓存雪崩： 当大量缓存同时过期，导致请求直接访问后端。为缓解雪崩效应，可以设置缓存失效时间的随机性、使用二级缓存等策略。

监控和调优：

部署监控系统，实时监控缓存的命中率、缓存更新情况等指标，及时发现并解决潜在问题。

常常使用如下监控工具进行监控：

Prometheus： Prometheus 是一款开源的监控和报警工具，适用于大多数场景。它支持多维度的数据模型和灵活的查询语言。
Grafana： Grafana 是一个开源的数据可视化工具，与 Prometheus 结合使用可以创建仪表板，并实时监控缓存的各项指标。
其他监控工具： 根据具体需求，还可以考虑使用其他监控工具，如Zabbix、Datadog等。

以Prometheus为例，可按照以下流程进行配置监控：

集成监控工具：

部署 Prometheus 服务器，并配置好监控目标。监控目标包括缓存服务器、应用程序、数据库等。

在应用程序中添加 Prometheus 客户端库，以便应用程序可以向 Prometheus 提供监控指标。

在缓存服务器中配置相关的 Prometheus Exporter，使其能够向 Prometheus 提供缓存相关的监控指标。

定义监控指标：

缓存命中率： 监控缓存的命中率，了解缓存系统的性能。可以通过缓存命中数和总请求数计算得出。

缓存更新情况： 监控缓存的更新情况，包括缓存的写入次数、过期次数等。这有助于评估缓存的更新频率。

缓存大小和内存使用： 监控缓存的大小和内存使用情况，确保缓存不会耗尽系统资源。

请求响应时间： 监控缓存请求的响应时间，及时发现潜在性能问题。

创建监控仪表板：

利用 Grafana 创建监控仪表板，将缓存的各项指标以图表的形式展示。这有助于直观地了解缓存系统的状态。

设置警报规则，当缓存命中率低于某个阈值或缓存更新频率异常时触发警报。

定期分析监控数据：

定期分析监控数据，发现趋势和异常。利用监控数据优化缓存策略，提高系统性能。

针对监控数据中的警报，及时采取措施解决问题，确保系统的稳定性和可靠性。

日志记录：

在应用程序和缓存服务器中添加详细的日志记录，记录重要操作和异常情况，有助于排查问题。

使用日志分析工具（如ELK Stack）对日志进行实时监控和分析。

合理使用缓存注解

在使用缓存框架时，合理使用缓存注解，如Spring的@Cacheable，确保只有需要缓存的数据才会被缓存。其实就是缓存应该缓存的数据，若是只使用一次的或者经常被修改的数据就不适合放到缓存中。

考虑分布式环境

如果应用部署在多台服务器上，需要考虑分布式缓存的一致性问题，选择适当的缓存一致性协议。

可以针对以下几个关键点来考虑：

多台服务器带来的挑战： 在多台服务器上部署应用程序时，不同服务器上的缓存节点可能存储相同或相关的数据，而应用程序需要保证这些数据在各个节点之间保持一致。
一致性问题： 一致性指的是多个节点之间的数据保持同步，即在一个节点上进行的缓存操作应该在其他节点上反映出相同的效果。缓存一致性问题包括读一致性和写一致性。
缓存一致性协议： 缓存一致性协议是一种用于在分布式缓存系统中实现一致性的机制。一些常见的缓存一致性协议包括：
- 缓存锁（Cache Locking）： 通过分布式锁来确保同一时间只有一个节点能够对缓存进行写操作，保证写一致性。
- 发布-订阅模式（Publish-Subscribe）： 当数据发生变化时，通过发布消息通知所有相关节点进行缓存更新，保证读一致性。
- 一致性哈希（Consistent Hashing）： 通过哈希算法将数据均匀地分布到不同节点，使得节点的加入或退出对系统的影响最小，保证读一致性。
- 分布式事务（Distributed Transaction）： 提供类似数据库事务的特性，确保多个节点上的缓存操作要么全部成功，要么全部失败，保证读写一致性。
权衡一致性与性能： 选择缓存一致性协议时需要进行一致性与性能的权衡。一些协议可能提供强一致性，但会带来较大的性能开销，而一些协议可能提供弱一致性但性能较好。具体选择取决于应用的需求和性能要求。
分布式缓存系统的选择： 选择适当的分布式缓存系统也是关键。一些流行的分布式缓存系统，如Redis、Memcached、Hazelcast等，提供了各种一致性协议和配置选项，可以根据需求进行选择。
数据分片和副本： 在考虑一致性时，还需要关注数据的分片和副本机制。数据分片可以提高系统的扩展性，而副本则可以提高数据的容错性和可用性。
系统架构和部署策略： 系统架构和部署策略对缓存一致性的影响很大。考虑采用多级缓存、本地缓存和分布式缓存等组合，以及合理的负载均衡策略，有助于降低一致性问题的复杂性。
实时监控和调优： 部署后需要进行实时监控和调优，通过监控缓存系统的指标，及时发现潜在的一致性问题并采取措施解决。

综合考虑以上因素，可以有效地优化接口性能，提高系统的响应速度，并减轻后端的负载。在实际应用中，我们还得根据具体场景的特点和需求进行灵活调整。