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C#+Redis，如何有效防止缓存雪崩、穿透和击穿问题

news 2025/8/14 15:51:48

引言

在C#应用程序开发中，Redis作为高性能的分布式缓存系统，被广泛用于提升应用性能、减轻数据库压力。然而，在享受Redis带来便利的同时，我们也需要面对缓存穿透、缓存雪崩和缓存击穿这三大经典问题。这些问题如果处理不当，可能会导致数据库压力骤增，甚至系统崩溃。本文将详细解析这三大问题的产生原因，并提供C#环境下的具体解决方案和代码实例。

缓存穿透

产生原因

缓存穿透是指查询一个缓存中不存在且数据库中也不存在的数据，导致每次请求都直接访问数据库的行为。这种情况会使缓存完全失效，所有请求都绕过缓存直接打到数据库上，可能导致数据库压力过大甚至宕机。

典型场景：

恶意攻击：频繁请求不存在的ID（如负数ID）
业务逻辑缺陷：未对输入参数进行有效校验
误操作：查询了已被删除的数据

解决方案

1. 缓存空值

当查询一个不存在的数据时，将空值（如 null 或空字符串）缓存起来，并设置一个较短的过期时间。这样下次再查询相同数据时，可以直接从缓存中获取空值，而不需要再访问数据库。

C#代码实例：

public async Task<T> GetDataWithCacheNullAsync<T>(string key, Func<Task<T>> dbQueryFunc, TimeSpan nullValueExpireTime, TimeSpan normalExpireTime) { // 尝试从缓存获取数据 var cacheValue = await _redisDb.StringGetAsync(key);

if (!cacheValue.IsNullOrEmpty())
{// 缓存命中if (cacheValue == "NULL_VALUE"){// 空值缓存return default;}return JsonConvert.DeserializeObject<T>(cacheValue);
}

// 缓存未命中，查询数据库
var data = await dbQueryFunc();

if (data == null)
{// 数据库中也不存在，缓存空值await _redisDb.StringSetAsync(key, "NULL_VALUE", nullValueExpireTime);
}
else
{// 数据库中存在，缓存真实值await _redisDb.StringSetAsync(key, JsonConvert.SerializeObject(data), normalExpireTime);
}

return data;
}

2.布隆过滤器

在缓存层前加一层布隆过滤器，用于判断数据是否存在。如果布隆过滤器判断数据不存在，就直接返回，不需要查询缓存和数据库。

C#代码实例（使用StackExchange.Redis.Bloom）：

public class BloomFilterService
{private readonly IDatabase _redisDb;private readonly string _filterKey = "bloom_filter";private readonly int _expectedElements = 100000;private readonly double _falsePositiveRate = 0.01;
public BloomFilterService(IConnectionMultiplexer redis){_redisDb = redis.GetDatabase();// 初始化布隆过滤器_redisDb.Execute("BF.RESERVE", _filterKey, _falsePositiveRate, _expectedElements);}
public async Task AddAsync(string key){await _redisDb.ExecuteAsync("BF.ADD", _filterKey, key);}
public async Task<bool> ExistsAsync(string key){return (bool)await _redisDb.ExecuteAsync("BF.EXISTS", _filterKey, key);}
}

// 使用布隆过滤器防止缓存穿透
public async Task<T> GetDataWithBloomFilterAsync<T>(string key, Func<Task<T>> dbQueryFunc, TimeSpan expireTime)
{// 先检查布隆过滤器if (!await _bloomFilter.ExistsAsync(key)){return default;}
// 尝试从缓存获取数据var cacheValue = await _redisDb.StringGetAsync(key);
if (!cacheValue.IsNullOrEmpty()){return JsonConvert.DeserializeObject<T>(cacheValue);}
// 缓存未命中，查询数据库var data = await dbQueryFunc();
if (data != null){// 缓存真实值await _redisDb.StringSetAsync(key, JsonConvert.SerializeObject(data), expireTime);}
return data;
}

缓存雪崩

产生原因

缓存雪崩是指在某个时间点，缓存中的数据大面积同时失效（或缓存服务不可用），导致大量请求直接打到数据库，从而引发数据库压力骤增，甚至崩溃的现象。

典型场景：

大量缓存数据设置了相同的过期时间
Redis服务宕机
网络故障导致缓存不可用

解决方案

1.错峰过期

给不同的缓存数据设置不同的过期时间，避免集中过期。可以在基础过期时间上增加一个随机值。

public async Task SetDataWithRandomExpireAsync<T>(string key, T data, TimeSpan baseExpireTime)
{// 生成随机偏移量(0-300秒)var random = new Random();int offset = random.Next(0, 300);TimeSpan actualExpireTime = baseExpireTime.Add(TimeSpan.FromSeconds(offset));
await _redisDb.StringSetAsync(key, JsonConvert.SerializeObject(data), actualExpireTime);
}

2.Redis高可用集群

通过主从复制、哨兵模式或Redis Cluster等方式构建高可用集群，避免单点故障。

C#代码实例（使用StackExchange.Redis连接哨兵模式）：

public class RedisSentinelService
{private readonly ConnectionMultiplexer _connection;
public RedisSentinelService(){var options = ConfigurationOptions.Parse("sentinel1:26379,sentinel2:26379,sentinel3:26379");options.ServiceName = "mymaster";options.AllowAdmin = true;options.ConnectRetry = 3;
_connection = ConnectionMultiplexer.Connect(options);}
public IDatabase GetDatabase(){return _connection.GetDatabase();}
}

缓存击穿

产生原因

缓存击穿是指某个热点数据过期的瞬间，有大量并发请求同时访问该数据，导致这些请求直接打到数据库上的现象。

典型场景：

热门商品详情页缓存过期
秒杀活动中核心商品信息缓存失效
热点新闻数据缓存过期

解决方案

1. 互斥锁

只允许一个线程重建缓存，其他线程等待。

C#代码实例：

public async Task<T> GetDataWithMutexLockAsync<T>(string key, Func<Task<T>> dbQueryFunc, TimeSpan expireTime)
{// 尝试从缓存获取数据var cacheValue = await _redisDb.StringGetAsync(key);
if (!cacheValue.IsNullOrEmpty()){return JsonConvert.DeserializeObject<T>(cacheValue);}
// 缓存未命中，尝试获取锁string lockKey = $"lock:{key}";bool lockAcquired = false;
try{// 尝试获取锁，过期时间10秒lockAcquired = await _redisDb.LockTakeAsync(lockKey, Environment.MachineName, TimeSpan.FromSeconds(10));
if (lockAcquired){// 获取锁成功，查询数据库var data = await dbQueryFunc();
if (data != null){// 缓存真实值await _redisDb.StringSetAsync(key, JsonConvert.SerializeObject(data), expireTime);}
return data;}else{// 获取锁失败，等待100ms后重试await Task.Delay(100);return await GetDataWithMutexLockAsync(key, dbQueryFunc, expireTime);}}finally{// 释放锁if (lockAcquired){await _redisDb.LockReleaseAsync(lockKey, Environment.MachineName);}}
}

2.逻辑过期

将过期时间存储在缓存数据中，而不是依赖Redis的过期机制。当数据逻辑过期时，异步更新缓存，不阻塞当前请求。

C#代码实例：

public class CacheDataWithLogicalExpire<T>
{public T Data { get; set; }public DateTime ExpireTime { get; set; }
}

public async Task<T> GetDataWithLogicalExpireAsync<T>(string key, Func<Task<T>> dbQueryFunc, TimeSpan expireTime)
{// 尝试从缓存获取数据var cacheValue = await _redisDb.StringGetAsync(key);
if (cacheValue.IsNullOrEmpty()){return default;}
// 反序列化缓存数据var cacheData = JsonConvert.DeserializeObject<CacheDataWithLogicalExpire<T>>(cacheValue);
if (cacheData.ExpireTime > DateTime.Now){// 数据未过期，直接返回return cacheData.Data;}
// 数据已过期，异步更新缓存_ = Task.Run(async () =>{string lockKey = $"lock:{key}";bool lockAcquired = await _redisDb.LockTakeAsync(lockKey, Environment.MachineName, TimeSpan.FromSeconds(10));
if (lockAcquired){try{// 双重检查var currentCacheValue = await _redisDb.StringGetAsync(key);if (!currentCacheValue.IsNullOrEmpty()){var currentCacheData = JsonConvert.DeserializeObject<CacheDataWithLogicalExpire<T>>(currentCacheValue);if (currentCacheData.ExpireTime > DateTime.Now){return;}}
// 查询数据库并更新缓存var data = await dbQueryFunc();if (data != null){var newCacheData = new CacheDataWithLogicalExpire<T>{Data = data,ExpireTime = DateTime.Now.Add(expireTime)};await _redisDb.StringSetAsync(key, JsonConvert.SerializeObject(newCacheData));}}finally{await _redisDb.LockReleaseAsync(lockKey, Environment.MachineName);}}});
// 返回过期数据，不阻塞当前请求return cacheData.Data;
}