4、缓存击穿与互斥锁：热点Key失效问题、SETNX实现分布式互斥锁、锁的超时与续期

4.1 缓存击穿：热点Key失效的连锁反应

缓存击穿是指一个热点Key在缓存中恰好过期失效，此时大量并发请求同时穿透到后端数据库，导致数据库瞬间压力剧增甚至崩溃。与缓存雪崩不同，击穿只针对单个热点Key，但破坏力同样巨大。

下图展示了缓存击穿的典型流程：

4.2 SETNX实现分布式互斥锁

分布式互斥锁是解决缓存击穿的标准方案。当热点Key失效时，只允许一个请求去数据库加载数据并重建缓存，其他请求等待或快速返回。Redis的SETNX命令是实现分布式锁的基础。

4.2.1 SETNX命令原理

4.2.2 互斥锁实现流程

1. 尝试加锁：使用SET lock_key unique_id NX EX 10尝试获取锁。
2. 加锁成功：查询数据库，将结果写入缓存，然后释放锁（删除lock_key）。
3. 加锁失败：等待一小段时间（如50ms）后重试，或直接返回降级数据。

// 伪代码：缓存击穿互斥锁方案
public String getData(String key) {
    // 1. 尝试从缓存获取
    String value = redis.get(key);
    if (value != null) {
        return value;
    }

    // 2. 缓存Miss，尝试加锁
    String lockKey = "lock:" + key;
    String requestId = UUID.randomUUID().toString();
    Boolean locked = redis.set(lockKey, requestId, "NX", "EX", 10);

    if (locked) {
        try {
            // 3. 双重检查：防止等待期间其他线程已重建缓存
            value = redis.get(key);
            if (value != null) {
                return value;
            }

            // 4. 查询数据库
            value = db.query(key);

            // 5. 写入缓存（设置合理过期时间）
            redis.set(key, value, "EX", 300);
            return value;
        } finally {
            // 6. 释放锁（使用Lua脚本保证原子性）
            String luaScript =
                "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then " +
                "  return redis.call('del', KEYS[1]) " +
                "else " +
                "  return 0 " +
                "end";
            redis.eval(luaScript, 1, lockKey, requestId);
        }
    } else {
        // 7. 加锁失败，等待重试或返回降级
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        return getData(key); // 递归重试
    }
}

4.3 锁的超时与续期

分布式锁面临一个经典困境：如果业务执行时间超过锁的过期时间，锁自动释放后其他线程会获取锁，导致并发冲突。如果过期时间设置过长，一旦持有锁的线程崩溃，锁会长时间占用。解决方案是锁续期（Watch Dog机制）。

4.3.1 超时时间设置策略

4.3.2 Watch Dog续期机制

Watch Dog是一个守护线程，在获取锁成功后启动，定期（如每过期时间的1/3）检查锁是否仍然被当前线程持有，如果是则延长过期时间。当业务执行完毕释放锁后，Watch Dog线程终止。

4.3.3 续期实现要点

• 续期时机：在锁过期时间的1/3处发起续期（如过期时间3s，则每秒续期一次）。
• 续期条件：必须校验锁的value仍为当前线程的唯一标识，防止续期到其他线程的锁。
• 终止条件：业务执行完毕主动释放锁时，Watch Dog线程应立即中断。
• 兜底策略：如果Watch Dog线程本身崩溃，锁会在过期后自动释放，避免死锁。

// 伪代码：Watch Dog续期逻辑
public class WatchDog {
    private final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    private ScheduledFuture future;

    public void startRenewal(String lockKey, String requestId, long expireSeconds) {
        long delay = expireSeconds * 1000 / 3; // 每1/3过期时间续期一次
        future = scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
            String luaScript =
                "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then " +
                "  return redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) " +
                "else " +
                "  return 0 " +
                "end";
            redis.eval(luaScript, 1, lockKey, requestId, expireSeconds);
        }, delay, delay, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    public void stopRenewal() {
        if (future != null) {
            future.cancel(true);
        }
    }
}

4.4 互斥锁方案对比总结