1. 缓存基础概念：什么是缓存、缓存的作用与价值、缓存穿透/击穿/雪崩的定义

1.1 什么是缓存

缓存（Cache）是一种将数据存储在临时存储介质中的技术，目的是在后续请求中能够更快地访问这些数据，而无需重新计算或从原始数据源（如数据库、磁盘文件、远程服务）重新获取。在计算机系统中，缓存无处不在：从 CPU 的 L1/L2/L3 缓存、操作系统的页缓存，到浏览器缓存、CDN 缓存，再到应用层的 Redis、Memcached，都是缓存思想的体现。

在 Spring Boot 微服务架构中，缓存通常指应用层缓存，即使用内存数据库（如 Redis）或本地内存（如 Caffeine）暂存热点数据，以减少对后端数据库或外部服务的访问压力。

1.2 缓存的作用与价值

缓存的价值可以从三个维度衡量：

在 Spring Boot 项目中，缓存最常见的应用场景包括：

• 热点数据查询：如用户信息、商品详情、配置参数等频繁读取但变化不频繁的数据。
• 复杂计算结果：如报表统计、推荐算法结果，避免重复计算。
• 会话状态：使用 Redis 缓存用户 Session，实现分布式会话共享。
• 限流与防重：利用缓存原子操作实现接口限流计数器或幂等令牌。

1.3 缓存穿透 / 击穿 / 雪崩的定义

这三个概念是缓存系统中最高频的故障模式，理解它们的区别是设计缓存一致性方案的前提。

1.4 三种故障模式的对比流程图

下图展示了缓存穿透、击穿、雪崩在请求链路中的不同表现：

1.5 缓存穿透的代码示例

以下是一个典型的缓存穿透场景及空值缓存解决方案的伪代码：

// 缓存穿透：查询不存在的用户
public User getUserById(Long id) {
    // 1. 尝试从缓存获取
    User user = redisTemplate.opsForValue().get("user:" + id);
    if (user != null) {
        return user;
    }
    
    // 2. 缓存未命中，查询数据库
    user = userMapper.selectById(id);
    
    // 3. 缓存穿透处理：如果数据库也不存在，缓存空值
    if (user == null) {
        // 缓存空值，过期时间设置较短（如 60 秒）
        redisTemplate.opsForValue().set("user:" + id, new User(), 60, TimeUnit.SECONDS);
        return null;
    }
    
    // 4. 数据库存在，写入缓存
    redisTemplate.opsForValue().set("user:" + id, user, 3600, TimeUnit.SECONDS);
    return user;
}

1.6 缓存击穿的互斥锁方案

对于缓存击穿，最常用的方案是互斥锁（Mutex Key），确保同一时刻只有一个线程去加载数据：

// 缓存击穿：互斥锁方案
public Product getProductById(Long id) {
    String cacheKey = "product:" + id;
    String lockKey = "lock:" + id;
    
    // 1. 先查缓存
    Product product = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
    if (product != null) {
        return product;
    }
    
    // 2. 尝试获取分布式锁
    Boolean locked = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, "1", 10, TimeUnit.SECONDS);
    if (Boolean.TRUE.equals(locked)) {
        try {
            // 3. 双重检查：获取锁后再次查询缓存
            product = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
            if (product != null) {
                return product;
            }
            // 4. 查询数据库
            product = productMapper.selectById(id);
            if (product != null) {
                redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, product, 3600, TimeUnit.SECONDS);
            }
            return product;
        } finally {
            // 5. 释放锁
            redisTemplate.delete(lockKey);
        }
    } else {
        // 6. 未获取到锁，等待后重试
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        return getProductById(id); // 递归重试
    }
}

1.7 缓存雪崩的过期时间随机化

防止缓存雪崩的核心策略是避免大量 key 在同一时刻过期：

// 缓存雪崩：过期时间加随机值
public void setCacheWithRandomExpire(String key, Object value, long baseExpire) {
    // 基础过期时间上增加 0~300 秒的随机偏移
    long randomExpire = baseExpire + ThreadLocalRandom.current().nextLong(0, 300);
    redisTemplate.opsForValue().set(key, value, randomExpire, TimeUnit.SECONDS);
}

// 批量初始化缓存时使用
public void initProductCaches(List<Product> products) {
    for (Product product : products) {
        String key = "product:" + product.getId();
        // 每个 key 的过期时间都不同，避免集中失效
        setCacheWithRandomExpire(key, product, 3600);
    }
}