缓存三大劫攻防战：穿透、击穿、雪崩的Java实战防御体系（二）

第二部分：缓存击穿——热点key过期引发的“DB瞬间高压”

缓存击穿的本质是“某个热点key（高并发访问）突然过期”，导致大量请求在同一时间穿透缓存，集中冲击DB，形成“瞬间高压”。

案例3：电商秒杀的“库存超卖”惊魂

故障现场

某电商平台“618”秒杀活动中，一款限量1000台的手机采用“Redis缓存+MySQL”架构：

• 缓存key：seckill:stock:1001（存储库存数量），过期时间1小时；
• 流程：查询缓存→未命中则查DB→扣减库存→更新缓存。
• 故障：活动开始1小时后，缓存key恰好过期，此时2000+用户同时刷新页面，缓存未命中，所有请求直达MySQL查询库存。MySQL因瞬间高并发（2000QPS）出现锁等待，库存更新延迟，最终超卖50台。

根因解剖

1. 热点key（seckill:stock:1001）过期瞬间，2000+并发请求穿透至MySQL；
2. MySQL查询库存时加行锁（SELECT stock FROM seckill WHERE item_id=1001 FOR UPDATE），并发请求排队等待，导致库存更新延迟；
3. 前端未做防重放处理，用户多次刷新加剧并发。

三重防御方案落地

方案1：热点数据“逻辑永不过期”

核心逻辑：缓存不设置物理过期时间，而是在value中嵌入“逻辑过期时间”。当逻辑过期时，不直接删除缓存，而是通过后台线程异步更新，当前请求仍返回旧数据。
优势：彻底避免过期瞬间的并发穿透。

实战代码：

@Service
public class SeckillStockService {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;
    @Autowired
    private SeckillMapper seckillMapper;
    // 线程池：处理缓存异步更新
    private final ExecutorService updatePool = new ThreadPoolExecutor(
        5, 10, 60, TimeUnit.SECONDS,
        new LinkedBlockingQueue<>(100),
        new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
    );

    // 缓存数据模型（含逻辑过期时间）
    @Data
    static class StockCache {
        private Integer stock; // 库存数量
        private long expireTime; // 逻辑过期时间（毫秒）
    }

    /**
     * 查询秒杀库存（逻辑永不过期）
     */
    public Integer getStock(Long itemId) {
        String cacheKey = "seckill:stock:" + itemId;
        // 1. 查询缓存
        String cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
        if (cacheVal == null) {
            // 2. 缓存未命中（首次加载）：加锁查询DB并初始化
            return loadStockWithLock(itemId, cacheKey);
        }

        // 3. 解析缓存数据
        StockCache cache = JSON.parseObject(cacheVal, StockCache.class);
        // 4. 逻辑未过期：直接返回
        if (System.currentTimeMillis() < cache.getExpireTime()) {
            return cache.getStock();
        }

        // 5. 逻辑已过期：异步更新缓存，当前请求返回旧数据
        updatePool.submit(() -> refreshStockCache(itemId, cacheKey));
        return cache.getStock();
    }

    // 加锁加载库存（防止缓存击穿）
    private Integer loadStockWithLock(Long itemId, String cacheKey) {
        // 使用Redisson分布式锁
        RLock lock = redissonClient.getLock("lock:seckill:stock:" + itemId);
        try {
            // 最多等待100ms，持有锁5秒
            if (lock.tryLock(100, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                // 双重检查：防止重复加载
                String cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
                if (cacheVal != null) {
                    return JSON.parseObject(cacheVal, StockCache.class).getStock();
                }
                // 查询DB并初始化缓存（逻辑过期1小时）
                Integer stock = seckillMapper.selectStock(itemId);
                StockCache cache = new StockCache();
                cache.setStock(stock);
                cache.setExpireTime(System.currentTimeMillis() + 3600 * 1000);
                redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, JSON.toJSONString(cache));
                return stock;
            } else {
                // 获取锁失败：返回DB查询结果（兜底）
                return seckillMapper.selectStock(itemId);
            }
        } finally {
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    // 刷新缓存（异步执行）
    private void refreshStockCache(Long itemId, String cacheKey) {
        RLock lock = redissonClient.getLock("lock:seckill:stock:" + itemId);
        try {
            // 加锁防止并发更新
            if (lock.tryLock(100, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                Integer newStock = seckillMapper.selectStock(itemId);
                StockCache cache = new StockCache();
                cache.setStock(newStock);
                cache.setExpireTime(System.currentTimeMillis() + 3600 * 1000);
                redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, JSON.toJSONString(cache));
            }
        } finally {
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

时序图：

正常请求（未过期）：
[用户] → 查缓存 → 命中（未过期）→ 返回结果

过期请求（异步更新）：
[用户] → 查缓存 → 命中（已过期）→ 返回旧数据
                                   ↓
                            异步线程更新缓存（加锁）

实战效果：缓存过期时无请求穿透至DB，MySQL查询量稳定在50QPS以内，超卖问题彻底解决。

方案2：分布式锁“串行化”查询

核心逻辑：热点key过期时，通过分布式锁保证只有一个线程能查询DB并更新缓存，其他线程等待重试。
适用场景：数据实时性要求高，无法接受旧数据。

实战代码（Redisson实现）：

@Service
public class HotItemService {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;
    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;
    @Autowired
    private ItemMapper itemMapper;

    /**
     * 查询热点商品详情（分布式锁防击穿）
     */
    public ItemDTO getHotItem(Long itemId) {
        String cacheKey = "item:hot:" + itemId;
        // 1. 查询缓存
        String cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
        if (cacheVal != null) {
            return JSON.parseObject(cacheVal, ItemDTO.class);
        }

        // 2. 缓存未命中：加分布式锁
        RLock lock = redissonClient.getLock("lock:item:hot:" + itemId);
        try {
            // 最多等待500ms，持有锁3秒
            if (lock.tryLock(500, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                // 双重检查：防止锁等待期间已更新缓存
                cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
                if (cacheVal != null) {
                    return JSON.parseObject(cacheVal, ItemDTO.class);
                }
                // 3. 查询DB并更新缓存（设置过期时间30分钟）
                ItemDTO item = itemMapper.selectById(itemId);
                redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, JSON.toJSONString(item), 30, TimeUnit.MINUTES);
                return item;
            } else {
                // 4. 获取锁失败：重试（最多3次）
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    Thread.sleep(50); // 短暂等待
                    cacheVal = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
                    if (cacheVal != null) {
                        return JSON.parseObject(cacheVal, ItemDTO.class);
                    }
                }
                // 重试失败：返回DB结果（兜底）
                return itemMapper.selectById(itemId);
            }
        } finally {
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

实战效果：热点key过期时，仅1个线程查询DB，其他线程从缓存获取，MySQL峰值QPS从2000降至5，接口响应时间从500ms降至50ms。

方案3：熔断降级（极端情况保护）

核心逻辑：当DB压力过大时，通过熔断组件（如Resilience4j）临时返回缓存旧值或默认值，避免DB被压垮。

实战代码（Resilience4j配置）：

@Configuration
public class CircuitBreakerConfig {
    @Bean
    public CircuitBreakerRegistry circuitBreakerRegistry() {
        CircuitBreakerConfig config = CircuitBreakerConfig.custom()
                .failureRateThreshold(50) // 失败率超50%触发熔断
                .waitDurationInOpenState(Duration.ofSeconds(10)) // 熔断10秒
                .permittedNumberOfCallsInHalfOpenState(5) // 半开状态允许5次调用
                .slidingWindowSize(100) // 滑动窗口大小100
                .build();
        return CircuitBreakerRegistry.of(config);
    }
}

@Service
public class ItemService {
    @Autowired
    private CircuitBreakerRegistry circuitBreakerRegistry;
    @Autowired
    private ItemMapper itemMapper;
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    /**
     * 带熔断的DB查询（兜底方案）
     */
    public ItemDTO queryFromDBWithFallback(Long itemId) {
        CircuitBreaker breaker = circuitBreakerRegistry.circuitBreaker("itemDBQuery");
        // 包装DB查询方法，配置熔断降级
        return Try.ofSupplier(CircuitBreaker.decorateSupplier(breaker, () -> 
            itemMapper.selectById(itemId)
        )).recover(Exception.class, e -> {
            log.warn("DB查询熔断，使用缓存旧值，itemId={}", itemId, e);
            // 熔断时返回缓存旧值（即使过期）
            String oldVal = redisTemplate.opsForValue().get("item:hot:" + itemId);
            return oldVal != null ? JSON.parseObject(oldVal, ItemDTO.class) : buildDefaultItem(itemId);
        }).get();
    }

    // 构建默认商品（极端降级）
    private ItemDTO buildDefaultItem(Long itemId) {
        ItemDTO defaultItem = new ItemDTO();
        defaultItem.setId(itemId);
        defaultItem.setName("商品信息加载中");
        return defaultItem;
    }
}

实战效果：DB压力过大时自动熔断，返回缓存旧值，接口成功率保持99.9%，无服务雪崩。

击穿防御总结