📚 课程目录第2章缓存一致性基础

2. 缓存一致性基础：缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩的定义与典型场景

在分布式系统中，缓存是提升读取性能、保护后端数据库的关键手段。然而，缓存与数据库之间的数据不一致、缓存失效的并发冲击，会引发三类经典故障模式：缓存穿透、缓存击穿和缓存雪崩。理解这三者的定义、成因与典型场景，是设计缓存一致性治理与错误处理链路的前提。

2.1 三类故障的定义与核心差异

故障类型	定义	核心成因	影响范围
缓存穿透	请求查询一个缓存和数据库中都不存在的数据，导致每次请求都穿透缓存直达数据库。	恶意攻击或业务漏洞，查询不存在的主键/索引。	数据库压力陡增，可能拖垮 DB。
缓存击穿	一个热点 key 在缓存失效的瞬间，大量并发请求同时回源数据库，导致数据库负载瞬间飙升。	热点 key 过期 + 高并发访问。	单点数据库压力激增，可能引发局部故障。
缓存雪崩	大量缓存 key 在同一时间或短时间内集中失效，导致海量请求直接打到数据库，引发系统级崩溃。	缓存服务宕机、统一过期时间设置不当。	全系统数据库过载，可能引发级联故障。

  关键区分：穿透是“查不到”导致绕过缓存；击穿是“单个热点”失效导致并发回源；雪崩是“大量 key”同时失效导致整体冲击。

2.2 缓存穿透：定义与典型场景

定义：客户端请求一个缓存和数据库中都不存在的 key，缓存无法命中，每次请求都直接查询数据库。由于数据库中也不存在该记录，查询结果为空，缓存不会回写，导致后续相同请求持续穿透。

典型场景：

恶意攻击：攻击者利用系统漏洞，构造大量不存在的 ID（如负数 ID、超长 ID、随机字符串）发起请求，绕过缓存直接攻击数据库。
业务数据删除：某条数据被从数据库中物理删除，但缓存中对应的 key 未被清理，后续请求查缓存未命中，查数据库也返回空，形成穿透。
参数校验缺失：前端或上游服务未对请求参数做合法性校验，导致非法参数（如不存在的用户 ID）直接穿透到后端。

治理思路：布隆过滤器（Bloom Filter）前置拦截、缓存空对象（Null Object）并设置短过期时间、参数合法性校验。

2.3 缓存击穿：定义与典型场景

定义：一个被高频访问的热点 key 在缓存过期的瞬间，大量并发请求同时发现缓存失效，于是全部回源数据库查询，导致数据库在短时间内承受远超正常水平的读压力。

典型场景：

秒杀活动商品：某爆款商品的详情 key 在秒杀开始瞬间过期，成千上万的用户同时刷新页面，请求全部穿透到数据库。
热门新闻/微博：一条突发新闻的阅读量 key 在缓存失效后，大量用户同时访问，导致数据库查询量瞬间暴涨。
全局配置项：系统全局配置的缓存 key 过期后，所有服务实例同时回源拉取配置，造成配置中心或数据库压力飙升。

注意：缓存击穿与穿透不同，击穿的目标 key 在数据库中是真实存在的，只是缓存恰好失效。治理重点在于“互斥回源”和“热点永不过期”。

2.4 缓存雪崩：定义与典型场景

定义：大量缓存 key 在同一时间窗口内集中失效，或者缓存服务整体不可用（如 Redis 集群宕机），导致所有请求直接落到数据库，引发数据库过载、连接池耗尽，甚至系统整体不可用。

典型场景：

统一过期时间：所有缓存 key 设置了相同的过期时间（如凌晨 0 点），导致在 0 点整大量 key 同时失效，引发雪崩。
缓存服务宕机：Redis 集群因网络分区、内存溢出或主从切换失败而整体不可用，所有请求直接回源数据库。
缓存预热失败：系统重启后，缓存中无数据，大量请求同时涌入数据库进行预热，导致数据库瞬间被打满。

  治理思路：过期时间加随机偏移、缓存高可用（Redis Sentinel/Cluster）、本地缓存（L1 Cache）兜底、限流熔断降级。

2.5 三类故障的关系与对比

2.6 典型故障链路示例

以下代码模拟了一个未做任何防护的缓存查询链路，该链路在面对穿透、击穿、雪崩时均会暴露问题：

// 未防护的缓存查询示例（Java 伪代码）
public User getUserById(String userId) {
    // 1. 查缓存
    User user = redis.get("user:" + userId);
    if (user != null) {
        return user;
    }
    // 2. 缓存未命中，查数据库
    user = userDao.selectById(userId);
    if (user != null) {
        // 3. 回写缓存
        redis.set("user:" + userId, user, 3600);
    }
    // 4. 返回结果（若 user 为 null，则穿透）
    return user;
}

问题分析：上述代码未处理“查不到”时的空对象缓存，未对热点 key 做互斥回源，未对过期时间做随机化。在并发场景下，该代码会同时引发穿透、击穿和雪崩风险。

2.7 本章小结

缓存穿透：查不到数据，每次穿透到 DB。治理核心：前置过滤 + 空对象缓存。
缓存击穿：热点 key 失效瞬间，高并发回源 DB。治理核心：互斥锁 + 热点永不过期。
缓存雪崩：大量 key 同时失效或缓存宕机，整体冲击 DB。治理核心：过期时间随机化 + 缓存高可用 + 限流降级。
三类故障并非孤立，穿透可能诱发击穿，击穿积累可能演变为雪崩。在 OpenAPI 契约设计中，错误响应体必须明确区分“数据不存在”“缓存失效”“系统过载”等不同错误码，以便客户端采取差异化重试策略。