4. 缓存穿透：定义、产生原因、解决方案

4.1 定义与现象

缓存穿透是指客户端请求的数据在缓存和数据库中都不存在，导致每次请求都直接穿透缓存层，落到后端数据库上。由于缓存无法命中，这些请求会持续对数据库造成压力，严重时可能导致数据库连接耗尽或响应超时。

4.2 产生原因

4.3 解决方案对比

4.4 布隆过滤器（Bloom Filter）

布隆过滤器是一种空间效率极高的概率型数据结构，用于判断一个元素是否在集合中。它允许一定的误判率（False Positive），但不会漏判（False Negative）。

4.4.1 布隆过滤器实战代码（Java + Redisson）

// 1. 初始化布隆过滤器
RBloomFilter<String> bloomFilter = redissonClient
    .getBloomFilter("user:id:bloom", 5000000L, 0.01);
bloomFilter.tryInit(5000000L, 0.01);  // 预计元素500万，误判率1%

// 2. 预热：将所有合法用户ID加入过滤器
List<Long> allUserIds = userMapper.selectAllIds();
for (Long userId : allUserIds) {
    bloomFilter.add(String.valueOf(userId));
}

// 3. 查询拦截
public User getUserById(Long userId) {
    String key = String.valueOf(userId);

    // 布隆过滤器前置拦截
    if (!bloomFilter.contains(key)) {
        log.warn("缓存穿透拦截 - 非法ID: {}", userId);
        return null;  // 直接返回，不查数据库
    }

    // 查缓存
    User user = redisTemplate.opsForValue().get(key);
    if (user != null) {
        return user;
    }

    // 查数据库
    user = userMapper.selectById(userId);
    if (user != null) {
        redisTemplate.opsForValue().set(key, user, 1, TimeUnit.HOURS);
    }
    return user;
}

4.5 缓存空对象

当查询数据库返回空结果时，仍然将该 Key 写入缓存，但 Value 设置为一个特殊标记（如空字符串或占位对象），并设置较短的过期时间（通常 30~60 秒）。后续相同请求在 TTL 内直接命中缓存空对象，避免重复穿透到数据库。

4.5.1 缓存空对象实战代码

public User getUserById(Long userId) {
    String key = "user:" + userId;

    // 1. 查缓存
    String cachedValue = redisTemplate.opsForValue().get(key);
    if (cachedValue != null) {
        // 命中缓存空对象标记
        if ("NULL_PLACEHOLDER".equals(cachedValue)) {
            log.info("命中空对象缓存，直接返回 null");
            return null;
        }
        return JSON.parseObject(cachedValue, User.class);
    }

    // 2. 查数据库
    User user = userMapper.selectById(userId);

    // 3. 无论是否为空，都写入缓存
    if (user == null) {
        // 缓存空对象，TTL 设为 30 秒
        redisTemplate.opsForValue().set(key, "NULL_PLACEHOLDER", 30, TimeUnit.SECONDS);
        log.warn("数据库无数据，缓存空对象: {}", key);
        return null;
    }

    // 正常数据缓存 1 小时
    redisTemplate.opsForValue().set(key, JSON.toJSONString(user), 1, TimeUnit.HOURS);
    return user;
}

4.6 两种方案对比总结

4.7 组合策略推荐

在生产环境中，建议将两种方案组合使用，形成多层防护：

1. 第一层：参数校验 — 在 API 网关或 Controller 层校验 ID 格式、范围，拒绝明显非法的请求。
2. 第二层：布隆过滤器 — 拦截大部分不存在的 Key，降低数据库无效查询。
3. 第三层：缓存空对象 — 对布隆过滤器误判的少量请求，以及合法但数据确实不存在的场景，提供短时间缓存保护。
4. 第四层：数据库限流与熔断 — 作为兜底，防止突发流量击穿所有防护层。