分布式之数据库和缓存双写一致性方案解析

首先，缓存由于其高并发和高性能的特性，已经在项目中被广泛使用。在读取缓存方面，大家没啥疑问，都是按照下图的流程来进行业务操作。

但是在更新缓存方面，对于更新完数据库，是更新缓存呢，还是删除缓存。又或者是先删除缓存，再更新数据库，其实大家存在很大的争议。
从理论上来说，给缓存设置过期时间，是保证最终一致性的解决方案。这种方案下，我们可以对存入缓存的数据设置过期时间，所有的写操作以数据库为准，对缓存操作只是尽最大努力即可。也就是说如果数据库写成功，缓存更新失败，那么只要到达过期时间，则后面的读请求自然会从数据库中读取新值然后回填缓存。因此，接下来讨论的思路不依赖于给缓存设置过期时间这个方案。

在这里，我们讨论三种更新策略：

1. 先更新数据库，再更新缓存

2. 先删除缓存，再更新数据库

3. 先更新数据库，再删除缓存

• 先更新数据库，再更新缓存

这套方案，大家是普遍反对的。为什么呢？有如下两点原因。

原因一（线程安全角度）容易产生脏数据
原因二（业务场景角度）
有如下两点：

1. 如果你是一个写数据库场景比较多，而读数据场景比较少的业务需求，采用这种方案就会导致，数据压根还没读到，缓存就被频繁的更新，浪费性能。

2. 如果你写入数据库的值，并不是直接写入缓存的，而是要经过一系列复杂的计算再写入缓存。那么，每次写入数据库后，都再次计算写入缓存的值，无疑是浪费性能的。显然，删除缓存更为适合。

• 先删缓存，再更新数据库

该方案会导致不一致的原因是。同时有一个请求 A 进行更新操作，另一个请求 B 进行查询操作。那么会出现如下情形:

1. 请求 A 进行写操作，删除缓存

2. 请求 B 查询发现缓存不存在

3. 请求 B 去数据库查询得到旧值

4. 请求 B 将旧值写入缓存

5. 请求 A 将新值写入数据库

上述情况就会导致不一致的情形出现。而且，如果不采用给缓存设置过期时间策略，该数据永远都是脏数据。

那么，如何解决呢？采用延时双删策略

伪代码如下

1. 先淘汰缓存

2. 再写数据库（这两步和原来一样）

3. 休眠 1 秒，再次淘汰缓存

这么做，可以将 1 秒内所造成的缓存脏数据，再次删除。

那么，这个 1 秒怎么确定的，具体该休眠多久呢？

针对上面的情形，读者应该自行评估自己的项目的读数据业务逻辑的耗时。然后写数据的休眠时间则在读数据业务逻辑的耗时基础上，加几 ms 即可。这么做的目的，就是确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。
如果你用了 mysql 的读写分离架构怎么办？

ok，在这种情况下，造成数据不一致的原因如下，还是两个请求，一个请求 A 进行更新操作，另一个请求 B 进行查询操作。

1. 请求 A 进行写操作，删除缓存

2. 请求 A 将数据写入数据库了，

3. 请求 B 查询缓存发现，缓存没有值

4. 请求 B 去从库查询，这时，还没有完成主从同步，因此查询到的是旧值

5. 请求 B 将旧值写入缓存

6. 数据库完成主从同步，从库变为新值

上述情形，就是数据不一致的原因。还是使用双删延时策略。只是，睡眠时间修改为在主从同步的延时时间基础上，加几 ms。
采用这种同步淘汰策略，吞吐量降低怎么办？

ok，那就将第二次删除作为异步的。自己起一个线程，异步删除。这样，写的请求就不用沉睡一段时间后了，再返回。这么做，加大吞吐量。

第二次删除,如果删除失败怎么办？

这是个非常好的问题，因为第二次删除失败，就会出现如下情形。还是有两个请求，一个请求 A 进行更新操作，另一个请求 B 进行查询操作，为了方便，假设是单库：

1. 请求 A 进行写操作，删除缓存

2. 请求 B 查询发现缓存不存在

3. 请求 B 去数据库查询得到旧值

4. 请求 B 将旧值写入缓存

5. 请求 A 将新值写入数据库

6. 请求 A 试图去删除请求 B 写入对缓存值，结果失败了。

ok,这也就是说。如果第二次删除缓存失败，会再次出现缓存和数据库不一致的问题。

如何解决呢？

• 先更新数据库，再删缓存

首先，先说一下。老外提出了一个缓存更新套路，名为《Cache-Aside pattern》。其中就指出

1. 失效：应用程序先从 cache 取数据，没有得到，则从数据库中取数据，成功后，放到缓存中。

2. 命中：应用程序从 cache 中取数据，取到后返回。

3. 更新：先把数据存到数据库中，成功后，再让缓存失效。

另外，知名社交网站 facebook 也在论文《Scaling Memcache at Facebook》中提出，他们用的也是先更新数据库，再删缓存的策略。

这种情况不存在并发问题么？

不是的。假设这会有两个请求，一个请求 A 做查询操作，一个请求 B 做更新操作，那么会有如下情形产生

1. 缓存刚好失效

2. 请求 A 查询数据库，得一个旧值

3. 请求 B 将新值写入数据库

4. 请求 B 删除缓存

5. 请求 A 将查到的旧值写入缓存

ok，如果发生上述情况，确实是会发生脏数据。

然而，发生这种情况的概率又有多少呢？

发生上述情况有一个先天性条件，就是步骤（3）的写数据库操作比步骤（2）的读数据库操作耗时更短，才有可能使得步骤（4）先于步骤（5）。可是，大家想想，数据库的读操作的速度远快于写操作的（不然做读写分离干嘛，做读写分离的意义就是因为读操作比较快，耗资源少），因此步骤（3）耗时比步骤（2）更短，这一情形很难出现。

假设，有人非要抬杠，有强迫症，一定要解决怎么办？

如何解决上述并发问题？

首先，给缓存设有效时间是一种方案。其次，采用策略（2）里给出的异步延时删除策略，保证读请求完成以后，再进行删除操作。

还有其他造成不一致的原因么？

有的，这也是缓存更新策略（2）和缓存更新策略（3）都存在的一个问题，如果删缓存失败了怎么办，那不是会有不一致的情况出现么。比如一个写数据请求，然后写入数据库了，删缓存失败了，这会就出现不一致的情况了。这也是缓存更新策略（2）里留下的最后一个疑问。

如何解决？

提供一个保障的重试机制即可，这里给出两套方案。

方案一：

如下图所示

流程如下所示

1. 更新数据库数据；

2. 缓存因为种种问题删除失败

3. 将需要删除的 key 发送至消息队列

4. 自己消费消息，获得需要删除的 key

5. 继续重试删除操作，直到成功

然而，该方案有一个缺点，对业务线代码造成大量的侵入。于是有了方案二，在方案二中，启动一个订阅程序去订阅数据库的 binlog，获得需要操作的数据。在应用程序中，另起一段程序，获得这个订阅程序传来的信息，进行删除缓存操作。

方案二：

流程如下图所示：

1. 更新数据库数据

2. 数据库会将操作信息写入 binlog 日志当中

3. 订阅程序提取出所需要的数据以及 key

4. 另起一段非业务代码，获得该信息

5. 尝试删除缓存操作，发现删除失败

6. 将这些信息发送至消息队列

7. 重新从消息队列中获得该数据，重试操作。

**备注说明：**上述的订阅 binlog 程序在 mysql 中有现成的中间件叫 canal，可以完成订阅 binlog 日志的功能。至于 oracle 中，博主目前不知道有没有现成中间件可以使用。另外，重试机制，博主是采用的是消息队列的方式。如果对一致性要求不是很高，直接在程序中另起一个线程，每隔一段时间去重试即可，这些大家可以灵活自由发挥，只是提供一个思路。

作者：孤独烟 出处： http://rjzheng.cnblogs.com/