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Java程序员必看！手把手教你解决缓存穿透问题

2025-06-20 23:12:01 0浏览收藏

在高并发场景下，Java应用如何应对缓存穿透？缓存穿透是指请求查询数据库中不存在的数据，导致请求直达数据库，造成压力。本文深入探讨了三种有效解决方案：**布隆过滤器**，利用其高效的Key存在性判断能力，在缓存前过滤掉不存在的请求，但需注意其误判率；**缓存空对象**，针对数据库查询为空的结果进行缓存，避免重复查询，但需谨慎设置过期时间以防止数据不一致；**接口层校验**，通过参数合法性校验，从源头拦截非法请求。本文还对比了缓存穿透与缓存击穿、雪崩的区别，并提供了布隆过滤器哈希函数选择、缓存空对象问题的规避建议，助你构建更健壮的缓存系统。

缓存穿透是指查询一个数据库中肯定不存在的数据，导致每次请求都打到数据库，解决方案有：1. 使用布隆过滤器，通过bit数组和哈希函数高效判断key是否存在，但有一定误判率；2. 缓存空对象，在数据库无数据时缓存空对象以减少后续请求；3. 接口层校验，对请求参数进行合法性校验，防止非法请求到达数据库。

Java中如何实现缓存穿透分析解决方案

缓存穿透，简单来说，就是查询一个数据库里肯定不存在的数据。由于缓存中没有，每次请求都会打到数据库，如果这种请求量很大，数据库就可能扛不住。

解决方案：

布隆过滤器：高效判断 Key 是否存在

布隆过滤器是一种概率型数据结构，能告诉你“可能存在”或“肯定不存在”。它的优点是空间效率和查询效率都很高，缺点是有一定的误判率（false positive）。

工作原理：

初始化： 创建一个 bit 数组，所有位初始化为 0。定义 k 个不同的哈希函数。
添加元素： 将元素通过 k 个哈希函数计算出 k 个哈希值，然后将 bit 数组中对应的 k 个位置置为 1。
查询元素： 将元素通过 k 个哈希函数计算出 k 个哈希值，检查 bit 数组中对应的 k 个位置是否都为 1。如果都为 1，则“可能存在”，否则“肯定不存在”。

Java 实现示例（使用 Guava）：

import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;

public class BloomFilterExample {

    private static final int EXPECTED_INSERTIONS = 1000; // 预期的插入数量
    private static final double FPP = 0.01; // 误判率

    private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(
            Funnels.integerFunnel(),
            EXPECTED_INSERTIONS,
            FPP);

    public static void main(String[] args) {
        // 假设数据库中存在 1 到 100 的数据
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            bloomFilter.put(i);
        }

        // 测试不存在的数据
        System.out.println("Checking if 101 exists: " + bloomFilter.mightContain(101)); // 可能返回 true (误判) 或 false
        System.out.println("Checking if 2 exists: " + bloomFilter.mightContain(2)); // 肯定返回 true
    }
}

使用场景：

在缓存之前，先通过布隆过滤器判断 Key 是否存在，如果不存在，直接返回，避免查询缓存和数据库。
适用于数据量大，且 Key 的变化不频繁的场景。

需要注意：

布隆过滤器有一定的误判率，因此不能完全避免缓存穿透。
如果数据变化频繁，需要定期更新布隆过滤器。

缓存空对象：简单粗暴但有效

当数据库查询结果为空时，仍然将这个空结果缓存起来，下次再请求这个 Key 时，直接从缓存返回。

实现方式：

public Object getFromCache(String key) {
    Object cacheValue = cache.get(key);
    if (cacheValue == null) {
        Object dbValue = getDataFromDB(key);
        if (dbValue == null) {
            // 缓存空对象
            cache.put(key, new NullValue(), CACHE_EXPIRATION_TIME); // NullValue 是一个自定义的空对象
        } else {
            cache.put(key, dbValue, CACHE_EXPIRATION_TIME);
            return dbValue;
        }
    }

    if (cacheValue instanceof NullValue) {
        return null; // 返回 null 表示数据不存在
    }

    return cacheValue;
}

// 自定义空对象
class NullValue {}

优点：