大型互联网架构概述,看完文章又涨知识了

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1 大型网站系统的特点

2 大型网站架构演化历程

21 初始阶段架构

问题:网站运营初期,访问用户少,一台服务器绰绰有余。

特征:应用程序、数据库、文件等所有的资源都在一台服务器上。

描述:通常服务器 *** 作系统使用 linux,应用程序使用 PHP 开发,然后部署在 Apache 上,数据库使用 Mysql,通俗称为 LAMP。汇集各种免费开源软件以及一台廉价服务器就可以开始系统的发展之路了。

22 应用服务和数据服务分离

问题:越来越多的用户访问导致性能越来越差,越来越多的数据导致存储空间不足,一台服务器已不足以支撑。

特征:应用服务器、数据库服务器、文件服务器分别独立部署。

描述:三台服务器对性能要求各不相同:应用服务器要处理大量业务逻辑,因此需要更快更强大的 CPU;数据库服务器需要快速磁盘检索和数据缓存,因此需要更快的硬盘和更大的内存;文件服务器需要存储大量文件,因此需要更大容量的硬盘。

23 使用缓存改善性能

问题:随着用户逐渐增多,数据库压力太大导致访问延迟。

特征:由于网站访问和财富分配一样遵循二八定律:80% 的业务访问集中在 20% 的数据上。将数据库中访问较集中的少部分数据缓存在内存中,可以减少数据库的访问次数,降低数据库的访问压力。

描述:缓存分为两种:应用服务器上的本地缓存和分布式缓存服务器上的远程缓存,本地缓存访问速度更快,但缓存数据量有限,同时存在与应用程序争用内存的情况。分布式缓存可以采用集群方式,理论上可以做到不受内存容量限制的缓存服务。

24 使用应用服务器集群

问题:使用缓存后,数据库访问压力得到有效缓解。但是单一应用服务器能够处理的请求连接有限,在访问高峰期,成为瓶颈。

特征:多台服务器通过负载均衡同时向外部提供服务,解决单一服务器处理能力和存储空间不足的问题。

描述:使用集群是系统解决高并发、海量数据问题的常用手段。通过向集群中追加资源,提升系统的并发处理能力,使得服务器的负载压力不再成为整个系统的瓶颈。

25 数据库读写分离

问题:网站使用缓存后,使绝大部分数据读 *** 作访问都可以不通过数据库就能完成,但是仍有一部分读 *** 作和全部的写 *** 作需要访问数据库,在网站的用户达到一定规模后,数据库因为负载压力过高而成为网站的瓶颈。

特征:目前大部分的主流数据库都提供主从热备功能,通过配置两台数据库主从关系,可以将一台数据库服务器的数据更新同步到一台服务器上。网站利用数据库的主从热备功能,实现数据库读写分离,从而改善数据库负载压力。

描述:应用服务器在写 *** 作的时候,访问主数据库,主数据库通过主从复制机制将数据更新同步到从数据库。这样当应用服务器在读 *** 作的时候,访问从数据库获得数据。为了便于应用程序访问读写分离后的数据库,通常在应用服务器端使用专门的数据访问模块,使数据库读写分离的对应用透明。

26 反向代理和 CDN 加速

问题:中国网络环境复杂,不同地区的用户访问网站时,速度差别也极大。

特征:采用 CDN 和反向代理加快系统的静态资源访问速度。

描述:CDN 和反向代理的基本原理都是缓存,区别在于 CDN 部署在网络提供商的机房,使用户在请求网站服务时,可以从距离自己最近的网络提供商机房获取数据;而反向代理则部署在网站的中心机房,当用户请求到达中心机房后,首先访问的服务器时反向代理服务器,如果反向代理服务器中缓存着用户请求的资源,就将其直接返回给用户。

27 分布式文件系统和分布式数据库

问题:随着大型网站业务持续增长,数据库经过读写分离,从一台服务器拆分为两台服务器,依然不能满足需求。

特征:数据库采用分布式数据库,文件系统采用分布式文件系统。

描述:分布式数据库是数据库拆分的最后方法,只有在单表数据规模非常庞大的时候才使用。不到不得已时,更常用的数据库拆分手段是业务分库,将不同的业务数据库部署在不同的物理服务器上。

28 使用 NoSQL 和搜索引擎

问题:随着网站业务越来越复杂,对数据存储和检索的需求也越来越复杂。

特征:系统引入 NoSQL 数据库及搜索引擎。

描述:NoSQL 数据库及搜索引擎对可伸缩的分布式特性具有更好的支持。应用服务器通过统一数据访问模块访问各种数据,减轻应用程序管理诸多数据源的麻烦。

29 业务拆分

问题:大型网站的业务场景日益复杂,分为多个产品线。

特征:采用分而治之的手段将整个网站业务分成不同的产品线。系统上按照业务进行拆分改造,应用服务器按照业务区分进行分别部署。

描述:应用之间可以通过超链接建立关系,也可以通过消息队列进行数据分发,当然更多的还是通过访问同一个数据存储系统来构成一个关联的完整系统。

纵向拆分:将一个大应用拆分为多个小应用,如果新业务较为独立,那么就直接将其设计部署为一个独立的 Web 应用系统。纵向拆分相对较为简单,通过梳理业务,将较少相关的业务剥离即可。

横向拆分:将复用的业务拆分出来,独立部署为分布式服务,新增业务只需要调用这些分布式服务横向拆分需要识别可复用的业务,设计服务接口,规范服务依赖关系。

210 分布式服务

问题:随着业务越拆越小,存储系统越来越庞大,应用系统整体复杂程度呈指数级上升,部署维护越来越困难。由于所有应用要和所有数据库系统连接,最终导致数据库连接资源不足,拒绝服务。

特征:公共业务提取出来,独立部署。由这些可复用的业务连接数据库,通过分布式服务提供共用业务服务。

3 大型网站架构模式

31 分层

大型网站架构中常采用分层结构,将软件系统分为应用层、服务层、数据层:

分层架构的约束:禁止跨层次的调用(应用层直接调用数据层)及逆向调用(数据层调用服务层,或者服务层调用应用层)。

分层结构内部还可以继续分层,如应用可以再细分为视图层和业务逻辑层;服务层也可以细分为数据接口层和逻辑处理层。

32 分割

将不同的功能和服务分割开来,包装成高内聚低耦合的模块单元。这有助于软件的开发和维护,便于不同模块的分布式部署,提高网站的并发处理能力和功能扩展能力。

33 分布式

大于大型网站,分层和分割的一个主要目的是为了切分后的模块便于分布式部署,即将不同模块部署在不同的服务器上,通过远程调用协同工作。

分布式意味可以用更多的机器工作,那么 CPU、内存、存储资源也就更丰富,能够处理的并发访问和数据量就越大,进而能够为更多的用户提供服务。

分布式也引入了一些问题:

常用的分布式方案:

34 集群

集群即多台服务器部署相同应用构成一个集群,通过负载均衡设备共同对外提供服务。

集群需要具备伸缩性和故障转移机制:伸缩性是指可以根据用户访问量向集群添加或减少机器;故障转移是指,当某台机器出现故障时,负载均衡设备或失效转移机制将请求转发到集群中的其他机器上,从而不影响用户使用。

35 缓存

缓存就是将数据存放在距离最近的位置以加快处理速度。缓存是改善软件性能的第一手段。

网站应用中,缓存除了可以加快数据访问速度以外,还可以减轻后端应用和数据存储的负载压力。

常见缓存手段:

使用缓存有两个前提:

36 异步

软件发展的一个重要目标和驱动力是降低软件耦合性。事物之间直接关系越少,彼此影响就越小,也就更容易独立发展。

大型网站架构中,系统解耦的手段除了分层、分割、分布式等,还有一个重要手段——异步。

业务间的消息传递不是同步调用,而是将一个业务 *** 作拆分成多阶段,每个阶段间通过共享数据的方式异步执行进行协作。

异步架构是典型的生产者消费模式,二者不存在直接调用。异步消息队列还有如下特性:

37 冗余

大型网站,出现服务器宕机是必然事件。要保证部分服务器宕机的情况下网站依然可以继续服务,不丢失数据,就需要一定程度的服务器冗余运行,数据冗余备份。这样当某台服务器宕机是,可以将其上的服务和数据访问转移到其他机器上。

访问和负载很小的服务也必须部署 至少两台服务器构成一个集群,目的就是通过冗余实现服务高可用。数据除了定期备份,存档保存,实现 冷备份 外;为了保证在线业务高可用,还需要对数据库进行主从分离,实时同步实现 热备份。

为了抵御地震、海啸等不可抗因素导致的网站完全瘫痪,某些大型网站会对整个数据中心进行备份,全球范围内部署 灾备数据中心。网站程序和数据实时同步到多个灾备数据中心。

38 自动化

大型网站架构的自动化架构设计主要集中在发布运维方面:

39 安全

4 大型网站核心架构要素

架构 的一种通俗说法是:最高层次的规划,难以改变的决定。

41 性能

性能问题无处不在,所以网站性能优化手段也十分繁多:

42 可用性

可用性指部分服务器出现故障时,还能否对用户提供服务

43 伸缩性

衡量伸缩的标准就是是否可以用多台服务器构建集群,是否容易向集群中增删服务器节点。增删服务器节点后是否可以提供和之前无差别的服务。集群中可容纳的总服务器数是否有限制。

44 扩展性

衡量扩展性的标准就是增加新的业务产品时,是否可以实现对现有产品透明无影响,不需要任何改动或很少改动,既有功能就可以上线新产品。主要手段有:事件驱动架构和分布式服务。

45 安全性

安全性保护网站不受恶意攻击,保护网站重要数据不被窃取。

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应用Redis实现数据的读写,同时利用队列处理器定时将数据写入mysql。同时要注意避免冲突,在redis启动时去mysql读取所有表键值存入redis中,往redis写数据时,对redis主键自增并进行读取,若mysql更新失败,则需要及时清除缓存及同步redis主键。这样处理,主要是实时读写redis,而mysql数据则通过队列异步处理,缓解mysql压力,不过这种方法应用场景主要基于高并发,而且redis的高可用集群架构相对更复杂,一般不是很推荐。

1 缓存击穿

缓存击穿是指一个请求要访问的数据,缓存中没有,但数据库中有的情况。这种情况一般都是缓存过期了。

但是这时由于并发访问这个缓存的用户特别多,这是一个热点 key,这么多用户的请求同时过来,在缓存里面没有取到数据,所以又同时去访问数据库取数据,引起数据库流量激增,压力瞬间增大,直接崩溃给你看。

所以一个数据有缓存,每次请求都从缓存中快速的返回了数据,但是某个时间点缓存失效了,某个请求在缓存中没有请求到数据,这时候我们就说这个请求就"击穿"了缓存。

针对这个场景,对应的解决方案一般来说有三种。

借助Redis setNX命令设置一个标志位就行。设置成功的放行,设置失败的就轮询等待。就是在更新缓存时加把锁

后台开一个定时任务,专门主动更新过期数据

比如程序中设置 why 这个热点 key 的时候,同时设置了过期时间为 10 分钟,那后台程序在第 8 分钟的时候,会去数据库查询数据并重新放到缓存中,同时再次设置缓存为 10 分钟。

其实上面的后台续命思想的最终体现是也是永不过期。

只是后台续命的思想,会主动更新缓存,适用于缓存会变的场景。会出现缓存不一致的情况,取决于你的业务场景能接受多长时间的缓存不一致。

2 缓存穿透

缓存穿透是指一个请求要访问的数据,缓存和数据库中都没有,而用户短时间、高密度的发起这样的请求,每次都打到数据库服务上,给数据库造成了压力。一般来说这样的请求属于恶意请求。

解决方案有两种:

就是在数据库即使没有查询到数据,我们也把这次请求当做 key 缓存起来,value 可以是 NULL。下次同样请求就会命中这个 NULL,缓存层就处理了这个请求,不会对数据库产生压力。这样实现起来简单,开发成本很低。

3 缓存雪崩

缓存雪崩是指缓存中大多数的数据在同一时间到达过期时间,而查询数据量巨大,这时候,又是缓存中没有,数据库中有的情况了。

防止雪崩的方案简单来说就是错峰过期。

在设置 key 过期时间的时候,在加上一个短的随机过期时间,这样就能避免大量缓存在同一时间过期,引起的缓存雪崩。

如果发了雪崩,我们可以有服务降级、熔断、限流手段来拒绝一些请求,保证服务的正常。但是,这些对用户体验是有一定影响的。

4 Redis 高可用架构

Redis 高可用架构,大家基本上都能想到主从、哨兵、集群这三种模式。

哨兵模式:

它主要执行三种类型的任务:

哨兵其实也是一个分布式系统,我们可以运行多个哨兵。

然后这些哨兵之间需要相互通气,交流信息,通过投票来决定是否执行自动故障迁移,以及选择哪个从服务器作为新的主服务器。

哨兵之间采用的协议是 gossip,是一种去中心化的协议,达成的是最终一致性。

选举规则:

分布式概念还是简单的吧,主要是理解为什么要分布式,和分布式主要做什么。

首先分布式的主要作用有以下几点:

1、提高应用的可用性:服务器要保持长时间能够有效的使用,但是现实情况又是很不稳定的,例如电脑会死机,会断电,硬件设备会损坏,使用分布式可以一定程度的解决这些问题。

2、分散服务器运行压力,这本身也是提高应用可用性的一个方面,例如你的应用功能很多,逻辑很复杂,或者 *** 作的数据量较大,单个应用或者机器难以甚至无法处理你的业务,那么就需要使用分布式。

分布式的概念其实也很简单,就是一个应用做不了或者难以做的事情,让多个应用去做,这就好比让一个人去完成的事情让多个人去完成,举个现实中很简单的例子,例如造车,造车这个工作本身一个造车厂可以完成这个任务,只是一个工厂造车,成本、技术、人员等等都会提高制作成本,而且因为技术过于驳杂,一个厂能造,但是成本和难度都会增加,但是拆分给多个厂来造车,例如一个厂造发动机,一个厂造底盘,一个厂造外壳,一个厂做电子仪表盘等等,把各个配件分散给不同的厂制作,这样每个厂专心做自己更专业的事情,这样既降低了成本,有提高了工作效率。

回到我们的web应用,一般来说,一个系统就是一个应用,系统里面有各种功能,例如学生信息管理系统,系统里面包含各种功能,例如用户登录和认证、权限配置和授权、学生信息的管理、学生的入学管理、学生的毕业管理、校友信息管理等等各种功能,但是当学生的数量特别多,内部业务逻辑特别复杂的时候,一个应用可能不能够承担起这个系统的正常运转,那么就可以考虑分布式,来使用多个应用完成这个系统的功能,例如做一个应用负责登录认证模块,一个应用处理授权的功能,另外一个应用处理学生信息的内容等等。

总结分布式,其实就是一个应用的事情让多个应用来解决,分布式是应用级别的分工,在一台机器的多个应用,我们叫垂直分布式,在多台机器上的分布式叫水平分布式,在一台机器的分布式实现起来比较简单,只需要实现应用之间的内存数据共享即可,内存数据共享方式很多,可以使用共享文件等等方式,多台机器的分布式就需要借助网络通信来共享数据,如果是通语言同技术的应用,可以直接共享内存数据,如果是不同语言的分布式应用,就需要参照一些通用传输协议的数据,例如xml json。

仅供参考

所有数据库对象都有各自的oid(object identifiers),oid是一个无符号的四字节整数,相关对象的oid都存放在相关的system catalog表中,比如数据库的oid和表的oid分别存放在pg_database,pg_class表中。

1、数据库集群-Database cluster

2、数据库-Database

3、表空间-tablespace

数据库在逻辑上分成多个存储单元,称作表空间。表空间用作把逻辑上相关的结构放在一起。数据库逻辑上是由一个或多个表空间组成。

新创建的数据库默认创建下面的表空间:

1)Catalog表空间 存放系统表信息2)System表空间 存放用户数据3)Temp表空间

4、模式-Schema

自动创建的系统模式如下:

1)PG_CATALOG2)PG_LARGEOBJECT3)PG_TOAST4)PG_PARTITION

默认的用户模式PUBLIC。

5、段-segment

6、区-extent

7、块-block

8、数据库对象-Database object

1)模式对象表、索引、序列、大对象、视图、函数、存储过程、触发器、包 … …2)非模式对象用户、数据库

9、数据表-Table

10、索引-Index

11、序列-Sequence

12、视图-View

二、物理存储结构

在执行initdb的时候会初始化一个目录,通常我们都会在系统配置相关的环境变量$PGDATA来表示,初始化完成后,会再这个目录生成相关的子目录以及一些文件。在postgresql中,tablespace的概念并不同于其他关系型数据库,这里一个tablespace对应的都是一个目录。如下图就是PG的物理结构:

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1、存储系统主要包括三个部分:

内存中:buffer,MemoryContext;

数据文件,临时文件;

日志文件,日志缓存。

2、文件和目录相关作用描述:

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3、数据文件结构

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31、页

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将数据文件中的空间从逻辑上划分成一个个页面(数据块)。页面是数据库I/O的基本单位,即只能整页读写数据文件, 页面的大小默认是8K。

页面可以分成两种:

1)数据页面:数据页面是用来存储用户数据的。

2)控制页面:控制页面用来管理这些数据页面。

数据库共享缓存中的空间划分也是按页为基本单位, 一个页的大小与数据文件中页的大小一致, 这样便于整页读取数据文件,并放入到数据库Buffer中, 从Buffer写入数据文件也同理,保证了缓存与数据文件结构和内容上的一致性。

32、Block(块)

概念上基本等同于Page, 但Block更多用于说明DMS中对数据文件中Page的描述。

例如: 对文件的读写的 *** 作, 文件读写位置的定位, 数据文件空间回收等 *** 作, 单位均是以块进行。

数据块的大小在系统初始化时指定,默认是8K,可以取值4K,8K,16K,32K。

33、Extent(区)

把数据文件中8个连续的Page构成的空间称为一个Extent。Extent是数据库进行数据文件空间分配/释放的基本单位。每个表、索引、序列对象都是由若干个区组成。数据文件被创建后,除自动保留部分区作为控制区外,其他区全部处于未分配状态。表、索引、序列对象的所有数据都存放在Extent中,当向这些Extent中插入数据时,若该Extent的所有页面都已占满,系统就会自动在所属表空间的数据文件中寻找一个尚未分配的区,并将其状态修改为数据区。

34、控制页面

用于空间管理的控制页面:PFS/GAM/IAM。

用于增量备份的控制页面:DCM。

判断可见性的控制页面:VM。

预留的控制页面:BCM/SGAM。

35、PFS

Page Free Space,简称PFS页

用于记录本数据文件中页面的空间使用情况。对文件中的每个页面,PFS中都有一个“字节”与之对应,该字节记录了该页面的状态。

PFS页前64bytes被预留为页头, 剩下81024-64=8128一共覆盖81288K=64MB空间

故PFS页每隔8128个页面出现一次, 系统初始化把第一个PFS页放在数据文件的第二个页面位置,即:第1号数据页面, 由此可知,第N个PFS页的位置在8128N+1

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36、GAM

Global Allocation Map,简称GAM页。

功能:记录所在数据文件的Extent的分配情况,GAM页中除GAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应一个Extent的分配情况。若某bit位为1,则表明该bit位所关联的Extent已被分配出去,反之未被分配。

若一个GAM页面大小为8K,则除GAM头(64 bytes)外,一个GAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。此外,GAM页每隔881288个页面出现一个,系统要求第一个GAM页出现在文件的第3个页面位置(即:第2个索引位置),由此得知,第N个GAM页的出现位置是: 881288N+2

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37、IAM

Index Allocation Map,简称IAM页。

功能:每个IAM页只隶属于一个数据库对象(例如:表),但一个数据库对象可包含多个IAM页,由此可见IAM页与数据库对象的关系是1对1,而数据库对象与IAM页的关系是1对多

IAM的结构与GAM页类似,除IAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应着一个与IAM相关的Extent。若某bit位为1,则表明该bit位所关联的Extent已被分配给该IAM,反之未被分配。若一个IAM页面大小为8K,则除IAM头(64 bytes)外,一个IAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。

但与GAM也不同之处在于:IAM的出现位置不固定,只在在创建数据库对象的时候才分配。

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三、逻辑与物理存储关系

1、逻辑关系存在表空间;

2、表空间存在对应的数据文件中;

新创建的数据库对应的数据文件的名称:

Catalog表空间 – databasenamedbfSystem表空间 – UdatabasenamedbfTemp表空间-- Tdatabasenamedbf

前面加 “U” 前缀代表用户数据表空间,用于保存用户表的数据。

不带 U 代表 是系统表的表空间,用于保存系统表的数据。

U 前缀的数据文件代表的表空间名为PG。

不带U 的数据文件代表的表空间为 CATALOG。

四、数据库文件、表空间、其他文件之间的关系

1、关系图如下:

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说明:

1)每一个数据库具有一个或多个数据文件,用户存放数据库的所有数据。

2)数据库的数据文件有以下特征:

一个数据库文件只能与一个数据库的一个表空间相连。

一个表空间可以由多个数据文件组成。

3)数据库对象与文件关系:

数据库对象放到表空间中。

表空间有多个数据文件。

表空间中有多个数据库对象。

4)数据库对象逻辑上是存储在表空间中,物理上是存储在与表空间相关联的数据文件中。

2、数据库包含的文件种类:

1)数据库文件:data/DB

数据库对象,如:数据库、表,索引,序列等对象。

2)控制文件:data/CTL

用来记录数据库集群的状态信息,如:版本信息、集群所管理的各种文件信息、检查点信息、事务状态信息等。

3)日志文件:data/REDOLOG

记录数据修改 *** 作的日志,用于系统发生故障时进行数据恢复。

4)临时文件:data/DB

存放数据库进行计算的过程中,生成的各种中间对象,如排序运算的外存归并单元。

5)参数文件:data目录下

五、Postgresql 底层存储管理方式:

Postgresql的每个数据库均存放在一个目录中,以db_oid命名,该目录中存放每个表对应的文件,文件名以该数据表对应的relfilenode_oid命名。当表中的数据量足够大,导致表文件的大小大于1GB的时候,postgresql会自动创建新的文件用于存放新插入的数据。新文件的名称为: relfilenode_iod1, relfilenode_iod2 等。使用该策略是为了防止在某些文件系统中,最大支持文件尺寸不能大于1GB的情形。

db_oid, relfilenode_oid可以从pg_class系统表中查询得出。

关于java清缓存前可以进后台方法,清完缓存不进了相关资料如下

java我们在使用缓存时,往往先尝试去缓存中取值,如果没有,再去数据库取值,如果数据库也没有值,则根据业务需求,返回空或者抛异常。

如果用户一直访问一个数据库不存在的数据,比如id为-1的数据,就会导致每次请求都会先去缓存查一次,然后再去数据库查一次,造成严重的性能问题。这种情况就叫缓存穿透。

解决方案

以下几种解决方案:对请求参数做校验,比如用户鉴权校验,id做基础校验,id <= 0的直接拦截。

如果查询到数据库没有值,也将对应的key存进缓存中,value为null。这样下次查询就直接从缓存返回了。但这里的key的缓存时间应该比较短,比如30s。防止后面在数据库插入了这条数据,而用户获取不到。

使用布隆过滤器,判断一个key是否已经查过了,如果已经查过了,就不去数据库查询。

缓存击穿

缓存击穿指的是,一个key的访问量非常大,比如某秒杀活动,有1w/s的并发量。这个key在某一时刻过期,那这些大量的请求就会一瞬间到数据库,数据库可能会直接崩溃。

解决方案

缓存击穿的解决方案也有几种,可以配合使用:对于热点数据,慎重考虑过期时间,确保热点期间key不会过期,甚至有些可以设置永不过期。

使用互斥锁(比如Java的多线程锁机制),第一个线程访问key的时候就锁住,等查询数据库返回后,把值插入到缓存后再释放锁,这样后面的请求就可以直接取缓存里面的数据了。

缓存雪崩

缓存雪崩指的是,在某一时刻,多个key失效。这样就会有大量的请求从缓存中获取不到值,全部到数据库。还有另一种情况,就是缓存服务器宕机,也算做缓存雪崩。

解决方案

针对上述两种情况,缓存雪崩有两种解决方案:对每个key的过期时间设置一个随机值,而不是所有key都相同。

使用高可用的分布式缓存集群,确保缓存的高可用性,比如redis-cluster。

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