导言

在分布式系统中，Redis 作为高性能分布式缓存，可有效减轻数据库压力、提升接口响应速度，但高并发场景下，缓存雪崩、缓存击穿、缓存穿透三类异常易引发系统稳定性问题。

一、缓存穿透 ——“不存在数据” 的持续穿透

1. 核心定义

缓存穿透是指查询的数据在缓存和数据库中均不存在（如查询不存在的 ID、非法参数），导致每次请求都穿透缓存直接查询数据库，且由于缓存无法存储 “不存在的数据”，后续相同请求会持续穿透，造成数据库无效查询压力激增的现象。

核心特征：区别于前两类异常，其关键在于 “查询无结果数据”，缓存无法拦截，请求持续打向 DB。

2. 触发条件

缓存穿透的发生源于两类场景：

  • 非法请求攻击：恶意用户构造非法参数（如负数 ID、超长字符串）发起大量查询，这类数据在缓存和 DB 中均不存在；

  • 业务空数据查询：正常业务场景中，部分查询天然无结果（如查询已删除的用户、未创建的订单），且未做缓存处理。

3. 解决方案对比

解决方案 实现逻辑 优点 缺点 适用场景
空值缓存 查询 DB 无结果时，将 “空值”（如空字符串、默认对象）存入 Redis，并设置较短过期时间（如 5-10 分钟），拦截后续相同请求 实现简单，无额外组件依赖；可快速拦截重复请求 占用 Redis 内存（存储大量空值）；短期存在数据不一致（如 DB 新增数据前，缓存仍返回空值） 非法请求较少、空数据查询量可控的场景
布隆过滤器 提前将 DB 中所有有效数据的 “标识”（如 ID）存入布隆过滤器；查询前先通过过滤器校验，若标识不存在则直接返回，不查询缓存和 DB 内存占用极低（比空值缓存节省 90% 以上）；拦截效率高 存在误判率（无法 100% 精准拦截）；需维护过滤器与 DB 数据一致性（如数据新增 / 删除时同步更新过滤器） 非法请求量大、空数据查询频繁的场景（如用户 ID 查询、商品 ID 查询）
请求参数校验 在业务层或网关层添加参数校验（如 ID 范围校验、格式校验），直接拦截非法参数请求（如负数 ID、非数字 ID） 从源头拦截无效请求，无缓存 / DB 压力；实现简单 仅能拦截 “格式非法” 的请求，无法拦截 “格式合法但 DB 无结果” 的请求（如合法 ID 但已删除） 可作为基础防护，需与其他方案配合使用

4. 代码示例（空值缓存・Java）

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public Object getDataById(Long id) {
    // 1. 先查缓存
    String cacheKey = "cache:data:" + id;
    Object cacheData = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
    
    // 2. 缓存命中（包括空值），直接返回
    if (cacheData != null) {
        // 区分空值与正常数据（如约定空值为特定字符串）
        return "NULL_DATA".equals(cacheData) ? null : cacheData;
    }
    
    // 3. 缓存未命中，查DB
    Object dbData = dbMapper.selectById(id);
    if (dbData != null) {
        // 4. DB有结果，缓存正常数据（过期时间1小时）
        redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, dbData, 3600, TimeUnit.SECONDS);
    } else {
        // 5. DB无结果，缓存空值（过期时间5分钟，避免长期占用内存）
        redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, "NULL_DATA", 300, TimeUnit.SECONDS);
    }
    return dbData;
}

5. 关键监控指标

  • 无结果查询量：Redis 无结果查询量 + DB 无结果查询量≥总请求量的 10%，需警惕穿透风险；

  • DB 无结果查询占比：DB 查询中无结果的比例≥20%，可能存在穿透；

  • 非法参数请求量：网关层拦截的非法参数请求≥500 次 / 秒，需加强参数校验；

  • 布隆过滤器误判率：若使用布隆过滤器，误判率应控制在 1% 以下，超过需调整过滤器参数（如哈希函数数量、bit 数组大小）。

二、三类缓存异常核心差异总结

异常类型 核心诱因 影响范围 关键防护思路
缓存雪崩 大量缓存集中过期 / 服务不可用 全局 打散过期时间、多级缓存、保障服务可用性
缓存击穿 单个热点数据过期 局部（热点） 互斥锁、逻辑过期、热点数据永不过期
缓存穿透 查询不存在的数据 全局（DB） 空值缓存、布隆过滤器、参数校验