WordPress因Redis缓存击穿问题导致数据库压力暴增与站点不可用的解决措施 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

WordPress Redis 缓存击穿问题解决方案：原理、实践与优化

大家好，今天我们来深入探讨一个WordPress站点性能优化中常见但又非常棘手的问题：Redis缓存击穿。我们将从原理入手，分析问题根源，并提供一系列切实可行的解决方案，旨在帮助大家显著提升WordPress站点的稳定性和性能。

一、缓存击穿：问题定义与影响

首先，我们需要明确什么是缓存击穿。简单来说，当大量请求同时查询一个不存在于缓存中的key（通常是热点数据因某种原因过期），导致这些请求全部直接访问数据库，从而瞬间给数据库带来巨大的压力，甚至导致数据库崩溃，进而影响整个站点的可用性，这就是缓存击穿。

在WordPress场景下，假设某个热门文章的ID是123。正常情况下，对文章ID 123的访问请求会先命中Redis缓存。但如果这篇文章的缓存key（例如wp:post:123）失效了，此时突然涌入的大量用户同时请求这篇文章，所有请求都会直接查询数据库，导致数据库压力瞬间激增。

影响：

数据库压力骤增： 大量读请求直接穿透缓存，数据库成为瓶颈。
响应时间延长： 数据库负载过高导致查询效率下降，用户体验变差。
站点不可用： 在极端情况下，数据库可能崩溃，导致整个站点无法访问。

二、缓存击穿的根源分析

导致缓存击穿的原因通常有以下几种：

热点数据过期： 某个key是热点数据，但其TTL（Time To Live，生存时间）设置得过短，导致缓存失效后瞬间涌入大量请求。
缓存雪崩： 大量key在同一时刻过期，导致大量请求穿透缓存。虽然缓存雪崩和缓存击穿不同，但往往会加剧缓存击穿的影响。
恶意攻击： 恶意用户通过构造大量请求，专门针对缓存中不存在的key进行查询，从而攻击数据库。

三、解决方案：策略与实现

针对缓存击穿问题，我们可以从以下几个方面入手，采取多种策略进行缓解和解决：

永不过期：

这是最简单粗暴的方法。对于某些允许一定程度数据不一致性的热点数据，可以将其缓存设置为永不过期。

优点： 完全避免缓存击穿。
缺点： 数据一致性难以保证，适用于对数据实时性要求不高的场景。
实现方式：

在WordPress中，可以使用 wp_cache_set() 函数设置缓存，并忽略TTL参数，或者设置一个非常大的TTL值。
```
$post_id = 123;
$cache_key = 'wp:post:' . $post_id;
$post_data = get_post( $post_id ); // 从数据库获取数据

wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', 0 ); // 永不过期
// 或者
wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', 365 * 24 * 60 * 60 ); // 设置一年有效期
```

互斥锁（Mutex）：

当缓存失效时，只允许一个请求去查询数据库，并将查询结果写入缓存。其他请求则等待，直到缓存更新完成。

优点： 保证数据一致性。
缺点： 会造成一定的延迟，因为等待锁的请求需要等待数据库查询完成。
实现方式：

可以使用Redis的 SETNX (SET if Not eXists) 命令来实现互斥锁。

function get_post_with_mutex( $post_id ) {
    $cache_key = 'wp:post:' . $post_id;
    $post_data = wp_cache_get( $cache_key, 'default' );

    if ( $post_data ) {
        return $post_data; // 缓存命中
    }

    $lock_key = 'lock:post:' . $post_id;
    $lock_acquired = false;

    try {
        // 尝试获取锁
        $lock_acquired = redis_setnx( $lock_key, 1, 10 ); // 设置锁，过期时间10秒
        if ( $lock_acquired ) {
            // 成功获取锁，查询数据库并更新缓存
            $post_data = get_post( $post_id ); // 从数据库获取数据
            if ( $post_data ) {
                wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', 3600 ); // 设置缓存，有效期1小时
            } else {
                //如果数据库不存在此数据，则设置一个短暂的过期时间，防止缓存穿透
                wp_cache_set( $cache_key, null, 'default', 60 ); // 设置缓存，有效期60秒
            }
            return $post_data;
        } else {
            // 未获取到锁，等待一段时间后重试
            sleep( 0.1 ); // 等待100毫秒
            return get_post_with_mutex( $post_id ); // 递归调用
        }
    } finally {
        // 释放锁 (无论成功与否，都要释放锁)
        if ( $lock_acquired ) {
            redis_del( $lock_key );
        }
    }
}

//Helper functions for Redis
function redis_setnx($key, $value, $ttl) {
    global $redis; // Assuming $redis is your Redis client instance
    $result = $redis->setnx($key, $value);
    if($result) {
        $redis->expire($key, $ttl);
    }
    return $result;
}

function redis_del($key) {
    global $redis;
    return $redis->del($key);
}

代码解释：

get_post_with_mutex($post_id): 该函数负责从缓存或者数据库获取文章数据。
$lock_key = 'lock:post:' . $post_id;: 生成一个针对特定文章ID的锁的key。
redis_setnx($lock_key, 1, 10): 尝试使用 Redis 的 SETNX 命令设置锁。如果key不存在则设置成功并返回true，否则返回false。同时设置锁的过期时间为10秒，防止死锁。
redis_del($lock_key): 释放锁。使用 finally 块确保无论是否发生异常，锁都会被释放。
sleep(0.1): 如果未能获取到锁，则等待100毫秒后重试。
如果数据库不存在此数据，设置一个短暂的过期时间，防止缓存穿透。
Helper functions redis_setnx() 和 redis_del() 封装了 Redis 的 setnx 和 del 命令，方便使用。

注意事项：

确保锁的过期时间足够长，能够完成数据库查询和缓存更新操作。
如果锁的过期时间过短，可能会导致多个请求同时获取到锁，从而失去互斥的效果。
如果数据库查询时间过长，可以适当延长锁的过期时间。
递归调用可能会导致堆栈溢出，需要谨慎使用。可以考虑使用循环代替递归。
需要引入Redis客户端，这里假设已经配置好了名为 $redis 的Redis客户端实例。

提前更新：

在缓存失效前，提前异步更新缓存。

优点： 保证缓存的可用性，减少缓存击穿的概率。
缺点： 实现复杂，需要监控缓存的过期时间。
实现方式：

可以使用WordPress的wp_cron() 函数来定时更新缓存。

// 注册定时任务
add_action( 'wp', 'schedule_cache_refresh' );
function schedule_cache_refresh() {
    if ( ! wp_next_scheduled( 'refresh_hot_post_cache' ) ) {
        wp_schedule_event( time(), 'hourly', 'refresh_hot_post_cache' ); // 每小时执行一次
    }
}

// 定时任务执行函数
add_action( 'refresh_hot_post_cache', 'refresh_hot_post_cache_callback' );
function refresh_hot_post_cache_callback() {
    $hot_post_ids = get_hot_post_ids(); // 获取热门文章ID列表

    foreach ( $hot_post_ids as $post_id ) {
        $cache_key = 'wp:post:' . $post_id;
        $post_data = get_post( $post_id ); // 从数据库获取数据
        if ( $post_data ) {
            wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', 3600 ); // 重新设置缓存，有效期1小时
        }
    }
}

// 获取热门文章ID列表 (需要根据实际情况实现)
function get_hot_post_ids() {
    // 例如：根据浏览量、评论数等指标获取热门文章ID
    // 这里只是一个示例，需要根据实际情况实现
    $args = array(
        'posts_per_page' => 10, // 获取10篇热门文章
        'orderby' => 'comment_count', // 按照评论数排序
        'order' => 'DESC',
    );
    $posts = get_posts( $args );
    $post_ids = array();
    foreach ( $posts as $post ) {
        $post_ids[] = $post->ID;
    }
    return $post_ids;
}

代码解释：

schedule_cache_refresh(): 注册一个定时任务，每小时执行一次 refresh_hot_post_cache 事件。
refresh_hot_post_cache_callback(): 定时任务的回调函数，负责刷新热门文章的缓存。
get_hot_post_ids(): 获取热门文章ID列表的函数。需要根据实际业务逻辑实现。这里提供了一个根据评论数获取热门文章的示例。
wp_schedule_event(): WordPress内置的定时任务函数。
wp_cron(): WordPress的定时任务机制。

注意事项：

get_hot_post_ids() 函数的实现需要根据实际业务逻辑进行调整。
定时任务的频率需要根据实际情况进行调整。
确保定时任务不会占用过多资源，影响站点性能。

设置随机过期时间：

为缓存设置一个随机的过期时间，避免大量key在同一时刻过期，导致缓存雪崩，从而减轻缓存击穿的影响。

优点： 简单有效，可以缓解缓存雪崩。
缺点： 不能完全避免缓存击穿。
实现方式：

在设置缓存时，为TTL增加一个随机值。
```
$post_id = 123;
$cache_key = 'wp:post:' . $post_id;
$post_data = get_post( $post_id ); // 从数据库获取数据

$ttl = 3600 + rand( 0, 600 ); // 设置缓存，有效期1小时 + 0-10分钟的随机时间
wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', $ttl );
```
代码解释：
- $ttl = 3600 + rand(0, 600);: 设置缓存的过期时间为1小时，并加上一个0到600秒（10分钟）的随机值。rand() 函数生成一个指定范围内的随机整数。
注意事项：
- 随机值的范围需要根据实际情况进行调整。
- 随机值的范围不宜过大，否则可能导致缓存有效期过短，降低缓存命中率。
使用多级缓存：

使用本地缓存（例如：APC、Memcached）作为一级缓存，Redis作为二级缓存。当Redis缓存失效时，可以先从本地缓存获取数据，然后再从数据库获取数据并更新Redis缓存和本地缓存。

优点： 提高缓存命中率，降低数据库压力。
缺点： 实现复杂，需要维护多级缓存的一致性。
实现方式：
```
function get_post_with_multilevel_cache( $post_id ) {
    $cache_key = 'wp:post:' . $post_id;

    // 尝试从本地缓存获取数据
    $post_data = wp_cache_get( $cache_key, 'local' );
    if ( $post_data ) {
        return $post_data; // 本地缓存命中
    }

    // 尝试从Redis缓存获取数据
    $post_data = wp_cache_get( $cache_key, 'default' );
    if ( $post_data ) {
        // Redis缓存命中，更新本地缓存
        wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'local', 300 ); // 设置本地缓存，有效期5分钟
        return $post_data;
    }

    // 缓存未命中，从数据库获取数据
    $post_data = get_post( $post_id ); // 从数据库获取数据
    if ( $post_data ) {
        // 更新Redis缓存和本地缓存
        wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'default', 3600 ); // 设置Redis缓存，有效期1小时
        wp_cache_set( $cache_key, $post_data, 'local', 300 ); // 设置本地缓存，有效期5分钟
    }
    return $post_data;
}
```
代码解释：
- get_post_with_multilevel_cache($post_id): 负责从本地缓存、Redis缓存或者数据库获取文章数据。
- wp_cache_get($cache_key, 'local'): 尝试从本地缓存获取数据。 'local' 是自定义的缓存组，用于区分本地缓存和Redis缓存。
- wp_cache_get($cache_key, 'default'): 尝试从Redis缓存获取数据。 'default' 是WordPress默认的缓存组，通常用于Redis缓存。
- 如果Redis缓存命中，则更新本地缓存。
- 如果缓存未命中，则从数据库获取数据，并更新Redis缓存和本地缓存。
注意事项：
- 需要安装和配置本地缓存插件，例如：APC、Memcached。
- 需要自定义缓存组，用于区分本地缓存和Redis缓存。
- 需要维护本地缓存和Redis缓存的一致性。
限流降级：

当检测到数据库压力过大时，可以采取限流降级策略，例如：限制请求频率、返回默认数据、返回错误页面等。

优点： 保护数据库，防止站点崩溃。
缺点： 会影响用户体验。
实现方式：

可以使用WordPress插件或者自定义代码来实现限流降级。例如使用redis实现一个简单的限流器
```
function is_request_allowed( $user_ip, $rate_limit, $time_window ) {
    global $redis;
    $key = 'rate_limit:' . $user_ip;
    $now = time();
    $redis->zAdd($key, $now, $now); //使用zset
    $redis->zRemRangeByScore($key, 0, $now - $time_window); //删除窗口之前的记录
    $count = $redis->zCard($key); //获取当前窗口内请求数量
    $redis->expire($key, $time_window + 1); //设置过期时间，比窗口时间多1秒
    return $count <= $rate_limit;
}

// 使用示例
$user_ip = $_SERVER['REMOTE_ADDR']; // 获取用户IP地址
$rate_limit = 100; // 每分钟允许100个请求
$time_window = 60; // 时间窗口为60秒

if ( is_request_allowed( $user_ip, $rate_limit, $time_window ) ) {
    // 允许请求
    // ... 执行业务逻辑
} else {
    // 拒绝请求
    http_response_code(429); // Too Many Requests
    echo 'Too Many Requests';
    exit;
}
```
代码解释：
- is_request_allowed($user_ip, $rate_limit, $time_window): 检查用户是否超过了请求频率限制。
- $key = 'rate_limit:' . $user_ip;: 生成一个针对特定用户IP地址的限流key。
- $redis->zAdd($key, $now, $now): 将当前时间戳添加到有序集合中。
- $redis->zRemRangeByScore($key, 0, $now - $time_window): 移除时间窗口之前的记录。
- $redis->zCard($key): 获取当前时间窗口内的请求数量。
- $redis->expire($key, $time_window + 1): 设置key的过期时间，比时间窗口多1秒。
- 如果请求数量超过了限制，则返回 429 Too Many Requests 错误。
注意事项：
- 需要根据实际情况调整限流策略。
- 需要友好地处理被限流的用户请求。

四、优化建议

除了上述解决方案，我们还可以从以下几个方面进行优化：

监控与告警： 建立完善的监控体系，实时监控Redis和数据库的性能指标，及时发现和处理问题。
- Redis监控： 监控Redis的CPU使用率、内存使用率、连接数、命中率等指标。
- 数据库监控： 监控数据库的CPU使用率、内存使用率、连接数、慢查询等指标。
- 告警： 当关键指标超过阈值时，及时发送告警通知。
合理设置TTL： 根据数据的访问频率和重要性，合理设置TTL，避免大量key同时过期。
- 热点数据： 可以设置较长的TTL，甚至永不过期。
- 非热点数据： 可以设置较短的TTL。
- 动态调整TTL： 可以根据数据的访问频率动态调整TTL。
预热缓存： 在站点启动或者缓存失效后，提前加载热点数据到缓存中，避免大量请求直接访问数据库。
- 站点启动时： 在站点启动时，加载热门文章、分类、标签等数据到缓存中。
- 缓存失效后： 在缓存失效后，异步加载数据到缓存中。
代码优化： 优化WordPress主题和插件的代码，减少不必要的数据库查询。
- 避免N+1查询： 使用JOIN查询代替N+1查询。
- 使用缓存： 将常用的数据缓存起来，避免重复查询数据库。
- 优化SQL查询： 使用EXPLAIN命令分析SQL查询的性能，优化查询语句。

五、总结性的理解

以上我们讨论了 WordPress Redis 缓存击穿问题的原理、解决方案和优化建议。解决缓存击穿需要综合考虑业务场景、数据特点和技术方案，选择合适的策略并持续优化。监控、合理的 TTL 设置、预热缓存以及代码优化是不可或缺的环节，它们共同保障 WordPress 站点的稳定性和性能。

WordPress Redis 缓存击穿问题解决方案：原理、实践与优化

发表回复 取消回复

发表回复取消回复