【MySQL】MySQL 缓存方案

一、MySQL主从同步

1.1 主从同步是什么

• MySQL 主从同步是一种数据复制机制，通过该机制可以实现将主数据库（Master）的 DDL（数据定义语言）和 DML（数据操纵语言，如 update、insert、delete）等操作同步到从数据库（Slave），从而保证主从数据库的数据一致性。

• 这种机制在提高数据可用性、实现读写分离、进行数据备份与恢复等场景中发挥着重要作用。

1.2 主从同步原理

1.2.1 主从同步的组件

主从同步的实现依赖以下的组件：

• binlog（二进制日志）：主库产生的日志文件，记录了主库上所有的数据变更操作（如创建表、插入数据等），是主从同步的基础数据来源。

• relay-log（中继日志）：从库上的日志文件，用于存储从主库的 binlog 中复制过来的日志内容，相当于一个中间过渡的日志。

• io-thread（IO 线程）：

  • 主库的 IO 线程：负责接收从库 IO 线程的请求，并将 binlog 中指定位置后的日志内容发送给从库。
  • 从库的 IO 线程：负责连接主库，请求并接收主库发送的 binlog 日志，然后将其写入从库的 relay-log。

• sql-thread（SQL 线程）：从库上的线程，负责读取 relay-log 中的内容，并解析成具体的 SQL 语句在从库上执行，实现数据的重放（replay），从而保证从库与主库数据一致。

• master-info 文件：从库上的文件，记录了已读取到的主库 binlog 的文件名和位置，方便从库下次请求主库时明确起始读取点。

1.2.2 主从同步的流程

主从同步的流程可以分为三部分：

1. 主库生成binlog
2. 从库获取binlog并写入relay-log
3. 从库重放中继日志

主库生成binlog

主库执行 DML（如 update、insert、delete）或 DDL 操作后，会将这些操作记录到自身的 binlog 中，完成数据变更的日志化存储。

从库获取binlog并写入relay-log

1. 从库的 IO 线程主动连接主库，并请求从指定 binlog 文件的指定位置（首次可从最开始）之后的日志内容。

2. 主库接收到请求后，其负责复制的 IO 线程会根据请求的位置，读取对应 binlog 中的日志信息，然后返回给从库的 IO 线程。返回的信息除了日志内容，还包括当前主库 binlog 的文件名和位置。

3. 从库的 IO 线程收到信息后，将日志内容追加到从库的 relay-log 末尾，同时将主库的 binlog 文件名和位置记录到 master-info 文件中，为下一次请求提供起始点。

从库重放中继日志

从库的 SQL 线程实时监测 relay-log，当发现有新增内容时，会解析这些内容，还原成主库上执行过的具体 SQL 语句，并在从库上执行这些语句，从而实现数据同步。

1.3 读写分离

MySQL 读写分离是基于主从同步机制实现的数据库架构优化方案，其核心思想是将数据库的写操作（如 INSERT、UPDATE、DELETE）集中在主库（Master）处理，而读操作（如 SELECT）分散到从库（Slave）执行，从而有效分担主库压力、提升系统整体性能。

1.3.1 读写分离的优点

1. 减轻主库负载：主库仅处理写操作和必要的核心读操作，避免因大量读请求占用资源（如 CPU、IO）而影响写操作效率。

2. 提高读操作吞吐量：通过多个从库分担读请求，利用分布式部署的优势提升系统整体的读性能，支持更多并发查询。

3. 提升系统可用性：即使主库故障，从库仍可提供读服务，减少业务中断时间。

4. 支持业务扩展：可根据读请求压力灵活增加从库数量，实现横向扩展，而无需修改核心业务逻辑。

1.3.2 读写分离的缺点

1. 数据不一致：主从同步依赖 binlog 复制和 SQL 重放，从库数据通常滞后于主库，若写操作后立即从从库读取，可能获取旧数据，导致数据不一致

1.3.3 读写分离的适用场景

• 读多写少业务：如电商商品列表、新闻资讯、社交平台动态等，读请求量远大于写请求。

• 高并发查询场景：单库读性能无法满足并发需求（如秒杀活动中的商品库存查询），需通过从库分担压力。

• 非核心写操作场景：写操作频率低（如后台数据录入），主库压力小，适合通过从库扩展读能力。

1.4 MySQL缓冲层

在 “读多写少、以 MySQL 为核心数据源、Redis 为缓存层” 的场景中，基于 MySQL 与 Redis 的缓存策略核是利用 Redis 的内存级读写速度提升读性能，同时通过合理的同步机制保证缓存与 MySQL 的数据一致性，避免因缓存引入脏数据或业务异常

1.4.1 为什么需要引入Redis

• MySQL也有缓冲层，它的作用是用来缓存热点数据，这些数据包括索引、记录等，mysql 缓冲层是从自身出发，跟具体的业务无关，缓冲策略主要是 LRU，由于 mysql 的缓冲层（buffer pool）不由用户来控制，也就不能由用户来控制缓存具体数据

• MySQL 数据主要存储在磁盘当中，适合大量重要数据的存储。磁盘当中的数据一般是远大于内存当中的数据，一般业务场景关系型数据库（mysql）作为主要数据库；

• Redis是内存数据库，它的所有数据都存储在内存当中，当然也可以持久化到磁盘中，因此它的速度很快，很适合作为MySQL的缓存，存储与业务相关的热点数据，这些热点数据可以由用户自己定义

1.4.2 MySQL和Redis的同步问题

我们这里讨论的数据基于用户定义的热点数据，当引入 Redis 后，缓存与 MySQL 的数据可能存在 5 种状态：

1. MySQL有，缓存无（正常）
2. MySQL有，缓存有（正常）
3. 二者都有，数据一致（正常）
4. MySQL无，缓存有（不正常）
5. 二者都有，数据不一致（不正常）

• 需要明确的是，我们获取数据主要依据MySQL为主，如果缓存中不存在，那么我们只需要将MySQL中的数据同步到缓存即可，没有什么大问题

• 如果缓存有，但是MySQL没有，这样就会产生脏数据

• 如果MySQL和缓存都有这个数据，但是数据不一致，这样也会有问题

1.4.3 同步问题解决方案

解决方案1

读数据：

• 先从缓存获取，如果有直接返回
• 如果没有，从MySQL中获取
  • 如果MySQL有，同步到缓存并返回
  • 如果MySQL没有，返回空

作用：

• 通过 “缓存未命中时从 MySQL 加载并同步”，保证缓存数据最终与 MySQL 一致

写数据：

• 先删除缓存，再写MySQL，后续数据同步使用中间件go-mysql-transfer等中间件处理

作用：

• 避免 “缓存与 MySQL 数据不一致”：删除缓存后，写 MySQL 期间缓存为空，其他服务读时会直接查 MySQL，拿到最新数据并同步到缓存
• 保证 “写后立即读” 的正确性：服务 A 写完 MySQL 后立即读数据时，因缓存已被删除，读流程会查 MySQL 拿到最新数据

问题：

• 中间件同步延迟：若中间件同步缓存的过程延迟，缓存会在短时间内为空，此时读请求全部走 MySQL，可能短暂增加 MySQL 压力

解决方案2

读数据：

• 先从缓存获取，如果有直接返回
• 如果没有，从MySQL中获取
  • 如果MySQL有，同步到缓存并返回
  • 如果MySQL没有，返回空

作用：读数据的流程和解决方案1完全一致

写数据：

• 先写缓存，并设置过期时间（如200ms），再写MySQL
• 后续数据同步使用中间件实现

作用：

• 减少缓存空窗期：写操作后 Redis 立即有新数据（而非像策略 1 那样先删除），短时间内读请求可直接从 Redis 获取，减轻 MySQL 压力。

• 控制脏数据时长：即使 MySQL 写入失败，脏数据仅存在 200ms，过期后缓存失效，读请求会查 MySQL 拿到正确状态

问题：

• 短暂脏数据：若 MySQL 写入失败，Redis 中 200ms 内的新数据是 “假数据”，可能导致用户看到错误信息

1.4.3 其他缓存问题

在 MySQL 与 Redis 组成的缓存架构中，由于数据同步策略、并发请求及缓存特性等因素，可能出现缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩三种典型问题

1.4.3.1 缓存穿透

当请求查询的数据在 Redis 中不存在，且在 MySQL 中也不存在时，该请求会绕过 Redis 直接穿透到MySQL，若此类请求大量并发，会导致 MySQL 压力剧增，甚至崩溃

原因：请求的是 “不存在的数据”，缓存（Redis）和数据库（MySQL）均无记录，导致每次请求都直接访问
数据库

解决方案：

1. 缓存空值（<key, nil>）

   • 当 MySQL 中查询到数据不存在时，在 Redis 中缓存该 key 对应的空值（如 nil），并设置较短的过期时间（如几分钟）。
   • 下次相同请求会直接从 Redis 获取空值，避免穿透到 MySQL。

2. 布隆过滤器

• 预先将 MySQL 中所有存在的 key 存入布隆过滤器（一种高效的概率性数据结构）。
• 请求到来时，先通过布隆过滤器判断 key 是否可能存在：
  • 若不存在，直接返回空结果，避免访问 Redis 和 MySQL；
  • 若可能存在，再依次查询 Redis 和 MySQL。

1.4.3.2 缓存击穿

当某个热点数据在 Redis 中过期（或不存在），但在 MySQL 中存在时，大量并发请求会同时穿透到 MySQL 读取该数据，导致 MySQL 瞬间压力骤增

原因：热点数据的缓存失效，引发并发请求集中访问数据库。

解决方案：

1. 分布式锁

   • 当 Redis 中查询不到数据时，先尝试获取分布式锁，只有获取锁的请求才能访问 MySQL。
   • 该请求从 MySQL 读取数据后，更新 Redis 缓存，再释放锁；其他未获取到锁的请求则休眠一段时间后重试，直到从 Redis 中获取到数据。

2. 热点 key 永不过期

   • 对于访问频率极高的热点数据，在 Redis 中设置为永不过期，避免因过期导致的缓存失效。

1.4.3.3 缓存雪崩

在某一时间段内，Redis 中大量缓存 key 集中过期失效，或 Redis 服务宕机，导致大量请求无法从缓存获取数据，全部涌向 MySQL，造成 MySQL 压力过载，甚至整个系统服务崩溃

原因：

• 缓存集中失效（如大量 key 设置了相同的过期时间）；
• Redis 集群宕机（如节点故障、网络问题）；
• 系统重启导致 Redis 缓存数据丢失（未开启持久化或重启时间过长）。

解决方案：

1. 避免缓存集中失效

   • 过期时间随机化：为 key 设置过期时间时，在基础时间上增加随机值，避免大量 key 同时过期。
   • 分批更新缓存：对热点数据的缓存过期时间进行错峰设计，通过定时任务分批刷新，避免集中失效。

2. Redis 高可用集群

   • 采用 Redis 哨兵模式（Sentinel）或集群模式（Cluster），确保单个节点宕机时，其他节点能自动接管服务，避免 Redis 整体不可用。

3. 缓存持久化与预热

   • 开启持久化：Redis 开启 RDB 或 AOF 持久化，确保重启时能恢复缓存数据（包括过期信息）。
   • 热数据预热：若系统重启时间较长，重启前通过脚本将 MySQL 中的热点数据提前加载到 Redis，避免重启后缓存为空导致请求冲击数据库。

更多资料：https://github.com/0voice