【原创】分布式之缓存击穿
什么是缓存击穿
在谈论缓存击穿之前，我们先来回忆下从缓存中加载数据的逻辑，如下图所示
因此，如果黑客每次故意查询一个在缓存内必然不存在的数据，导致每次请求都要去存储层去查询，这样缓存就失去了意义。如果在大流量下数据库可能挂掉。这就是缓存击穿。
场景如下图所示:
我们正常人在登录首页的时候，都是根据userID来命中数据，然而黑客的目的是破坏你的系统，黑客可以随机生成一堆userID,然后将这些请求怼到你的服务器上，这些请求在缓存中不存在，就会穿过缓存，直接怼到数据库上,从而造成数据库连接异常。
解决方案
在这里我们给出三套解决方案，大家根据项目中的实际情况，选择使用.
讲下述三种方案前，我们先回忆下redis的setnx方法
SETNX key value
将 key 的值设为 value ，当且仅当 key 不存在。
若给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作。
SETNX 是『SET if Not eXists』(如果不存在，则 SET)的简写。
可用版本：>= 1.0.0
时间复杂度： O(1)
返回值： 设置成功，返回 1。设置失败，返回 0 。
效果如下
redis> EXISTS job # job 不存在
(integer) 0
redis> SETNX job "programmer" # job 设置成功
(integer) 1
redis> SETNX job "code-farmer" # 尝试覆盖 job ，失败
(integer) 0
redis> GET job # 没有被覆盖
"programmer"1、使用互斥锁
该方法是比较普遍的做法，即，在根据key获得的value值为空时，先锁上，再从数据库加载，加载完毕，释放锁。若其他线程发现获取锁失败，则睡眠50ms后重试。
至于锁的类型，单机环境用并发包的Lock类型就行，集群环境则使用分布式锁( redis的setnx)
集群环境的redis的代码如下所示:
String get(String key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) {
if (redis.setnx(key_mutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(key_mutex, 3 * 60)
value = db.get(key);
redis.set(key, value);
redis.delete(key_mutex);
} else {
//其他线程休息50毫秒后重试
Thread.sleep(50);
get(key);
}
}
} 优点:
- 思路简单
- 保证一致性
缺点
- 代码复杂度增大
- 存在死锁的风险
2、异步构建缓存
在这种方案下，构建缓存采取异步策略，会从线程池中取线程来异步构建缓存，从而不会让所有的请求直接怼到数据库上。该方案redis自己维护一个timeout，当timeout小于System.currentTimeMillis()时，则进行缓存更新，否则直接返回value值。
集群环境的redis代码如下所示:
String get(final String key) {
V v = redis.get(key);
String value = v.getValue();
long timeout = v.getTimeout();
if (v.timeout <= System.currentTimeMillis()) {
// 异步更新后台异常执行
threadPool.execute(new Runnable() {
public void run() {
String keyMutex = "mutex:" + key;
if (redis.setnx(keyMutex, "1")) {
// 3 min timeout to avoid mutex holder crash
redis.expire(keyMutex, 3 * 60);
String dbValue = db.get(key);
redis.set(key, dbValue);
redis.delete(keyMutex);
}
}
});
}
return value;
} 优点:
- 性价最佳，用户无需等待
缺点
- 无法保证缓存一致性
3、布隆过滤器
1、原理
布隆过滤器的巨大用处就是，能够迅速判断一个元素是否在一个集合中。因此他有如下三个使用场景:
- 网页爬虫对URL的去重，避免爬取相同的URL地址
- 反垃圾邮件，从数十亿个垃圾邮件列表中判断某邮箱是否垃圾邮箱（同理，垃圾短信）
- 缓存击穿，将已存在的缓存放到布隆过滤器中，当黑客访问不存在的缓存时迅速返回避免缓存及DB挂掉。
OK，接下来我们来谈谈布隆过滤器的原理
其内部维护一个全为0的bit数组，需要说明的是，布隆过滤器有一个误判率的概念，误判率越低，则数组越长，所占空间越大。误判率越高则数组越小，所占的空间越小。
假设，根据误判率，我们生成一个10位的bit数组，以及2个hash函数（f1,f2f1,f2），如下图所示(生成的数组的位数和hash函数的数量，我们不用去关心是如何生成的，有数学论文进行过专业的证明)。
假设输入集合为(N1,N2N1,N2),经过计算f1(N1)f1(N1)得到的数值得为2，f2(N1)f2(N1)得到的数值为5，则将数组下标为2和下表为5的位置置为1，如下图所示
同理，经过计算f1(N2)f1(N2)得到的数值得为3，f2(N2)f2(N2)得到的数值为6，则将数组下标为3和下表为6的位置置为1，如下图所示
这个时候，我们有第三个数N3N3，我们判断N3N3在不在集合(N1,N2N1,N2)中，就进行f1(N3)，f2(N3)f1(N3)，f2(N3)的计算
- 若值恰巧都位于上图的红色位置中，我们则认为，N3N3在集合(N1,N2N1,N2)中
- 若值有一个不位于上图的红色位置中，我们则认为，N3N3不在集合(N1,N2N1,N2)中
以上就是布隆过滤器的计算原理，下面我们进行性能测试，
2、性能测试
代码如下:
(1)新建一个maven工程，引入guava包
<dependencies>
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>22.0</version>
</dependency>
</dependencies> (2)测试一个元素是否属于一个百万元素集合所需耗时
package bloomfilter;
import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;
import java.nio.charset.Charset;
public class Test {
private static int size = 1000000;
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
bloomFilter.put(i);
}
long startTime = System.nanoTime(); // 获取开始时间
//判断这一百万个数中是否包含29999这个数
if (bloomFilter.mightContain(29999)) {
System.out.println("命中了");
}
long endTime = System.nanoTime(); // 获取结束时间
System.out.println("程序运行时间： " + (endTime - startTime) + "纳秒");
}
}
输出如下所示
命中了
程序运行时间： 219386纳秒也就是说，判断一个数是否属于一个百万级别的集合，只要0.219ms就可以完成，性能极佳。
(3)误判率的一些概念
首先，我们先不对误判率做显示的设置，进行一个测试，代码如下所示
package bloomfilter;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;
public class Test {
private static int size = 1000000;
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
bloomFilter.put(i);
}
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(1000);
//故意取10000个不在过滤器里的值，看看有多少个会被认为在过滤器里
for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) {
if (bloomFilter.mightContain(i)) {
list.add(i);
}
}
System.out.println("误判的数量：" + list.size());
}
}
输出结果如下
误判对数量：330如果上述代码所示，我们故意取10000个不在过滤器里的值，却还有330个被认为在过滤器里，这说明了误判率为0.03.即，在不做任何设置的情况下，默认的误判率为0.03。
下面上源码来证明：
接下来我们来看一下，误判率为0.03时，底层维护的bit数组的长度如下图所示
将bloomfilter的构造方法改为
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size,0.01);即，此时误判率为0.01。在这种情况下，底层维护的bit数组的长度如下图所示
由此可见，误判率越低，则底层维护的数组越长，占用空间越大。因此，误判率实际取值，根据服务器所能够承受的负载来决定，不是拍脑袋瞎想的。
3、实际使用
redis伪代码如下所示
String get(String key) {
String value = redis.get(key);
if (value == null) {
if(!bloomfilter.mightContain(key)){
return null;
}else{
value = db.get(key);
redis.set(key, value);
}
}
return value；
} 优点:
- 思路简单
- 保证一致性
- 性能强
缺点
- 代码复杂度增大
- 需要另外维护一个集合来存放缓存的Key
- 布隆过滤器不支持删值操作
总结
在总结部分，来个漫画把。希望对大家找工作有帮助
【原创】自己动手实现静态资源服务器
引言
本文利用java自带的socket编程实现了一个简单的静态资源服务器，可以响应静态资源。本文一共有两个版本的源码。第一个版本名为Server_v1，该版本实现了一个简单的socket的服务器，帮助读者回忆socket编程。第二个版本名为Server_v2，该版本是对第一版的改良，给出了改良思路，做出了必要的封装，让其能够响应css、html、jpg等静态资源。
版本一
该版本实现一个简单的socket服务器，针对浏览器的请求，能够返回相应的页面。
其源码如下：
package mytomcat_v1;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Date;
/**
*
* @author zhengrongjun
* @version v1.0
*/
public class Server_V1 {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
Socket client = null;
try {
serverSocket = new ServerSocket(9999);
// 不断接收客户连接
while (true) {
// 服务器阻塞等待客户端socket连接过来
client = serverSocket.accept();
// 对客户端里面端请求信息进行处理
InputStream in = client.getInputStream();
// 定义一个读取缓冲池 主要是在inputstram流中读取字节
byte[] buff = new byte[1024];
int len = in.read(buff);
if (len > 0) {
String msg = new String(buff, 0, len);
System.out.println("===="+msg+"======");
OutputStream out = client.getOutputStream();
//构建响应信息
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("HTTP/1.1 200 OK\n");
sb.append("Content-Type: text/html; charset=UTF-8\n");
sb.append("\n");
String html="<html><head><title>卖烧饼咯</title></head></html><body>小曲经常在"
+"<font size='14' color='red'>"
+new Date()
+"</font>"
+"<br/>卖烧饼</body></html>";
sb.append(html);
out.write(sb.toString().getBytes());
out.flush();
out.close();
}
}
} catch (Exception e) {
}
}
}
执行效果如下图所示，打开chrome浏览器，在导航栏输入
http://localhost:9999/docs/index.html显示如下图所示
控制台输出如下图所示
====GET /docs/index.html HTTP/1.1
Host: localhost:9999
Connection: keep-alive
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_13_2) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.181 Safari/537.36
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
======版本二
该版本在版本一的基础上进行优化，使其能够有效的响应静态资源
步骤一
先看第一部分代码优化，如下图所示
红框的部分，我们可以理解为对请求信息对处理，因此我们模仿Tomcat构造一个HttpRequst来处理这一段逻辑。
另外，我们需要对静态资源进行响应，因此我们需要获取输入内容的静态资源地址，即以下部分的内容。
获取以上红框请求地址内容的代码如下
uri = msg.substring(msg.indexOf("/"),msg.indexOf("HTTP/1.1") - 1);综上所述，我们有HttpRequest类如下所示
package mytomcat_v2;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
/**
* 对客户端进行处理对业务类
*
* @author zhengrongjun
*
*/
public class HttpRequest {
private String uri;
public String getUri() {
return uri;
}
public HttpRequest(InputStream in) throws IOException {
// 对我们对请求字节流进行解析
resolverRequest(in);
}
private void resolverRequest(InputStream in) throws IOException {
// TODO Auto-generated method stub
byte[] buff = new byte[1024];
int len = in.read(buff);
if (len > 0) {
String msg = new String(buff, 0, len);
System.out.println("====" + msg + "======");
// 解析出来 uri
uri = msg.substring(msg.indexOf("/"), msg.indexOf("HTTP/1.1") - 1);
} else {
System.out.println("bad Request!");
}
}
}
步骤二
接下来是第二部分的代码优化，如下图所示
以上红框部分主要是对输出信息进行响应，我们模仿tomcat构造一个HttpResponse对象封装该部分逻辑。
另外，我们获取用户请求的资源文件路径，根据该路径找到相应静态文件。将该文件写入文件流，输出。
因此，我们有HttpResponse对象如下所示
package mytomcat_v2;
/**
* 封装http响应信息
* @author zhengrongjun
*
*/
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
public class HttpResponse {
private OutputStream os = null;
public HttpResponse(OutputStream os) {
this.os = os;
}
public void writerFile(String path) throws IOException {
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(path);
byte[] buff = new byte[1024];
int len = 0;
// 构建响应信息
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("HTTP/1.1 200 OK\n");
sb.append("Content-Type: text/html; charset=UTF-8\n");
sb.append("\n");
os.write(sb.toString().getBytes());
while ((len = fileInputStream.read(buff)) != -1) {
os.write(buff, 0, len);
}
fileInputStream.close();
os.flush();
os.close();
}
}
步骤三
接下来我们构建测试类，构建之前我们先去找一些静态资源文件。作者直接去apache的官网下把tomcat给下了下来，然后去如下目录拷贝静态资源文件
apache-tomcat-8.5.28/webapps/docs将整个docs 文件夹拷贝至你的项目的根目录下
apache-tomcat-8.5.28/webapps/ROOT/favicon.ico将favicon.ico图片拷贝至你的根目录下
静态资源在你的项目中的结构如下图所示
现在上我们的Server_V2的代码
package mytomcat_v2;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Date;
/**
*
* @author zhengrongjun
* @version v2.0
*/
public class Server_V2 {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
Socket client = null;
try {
serverSocket = new ServerSocket(9999);
// 不断接收客户连接
while (true) {
// 服务器阻塞等待客户端socket连接过来
client = serverSocket.accept();
// =========请求类处理=======
InputStream in = client.getInputStream();
HttpRequest request = new HttpRequest(in);
String requestUri = request.getUri();
// =========响应类处理=======
OutputStream os = client.getOutputStream();
HttpResponse response = new HttpResponse(os);
//请求格式是/html/login.html这种，需要把开头的/删除
response.writerFile(requestUri.substring(1));
client.close();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
测试结果如下：
在浏览器输入
http://localhost:9999/docs/ssl-howto.html效果如下
你会惊奇的发现样式并不能识别，因此我们对响应头的部分逻辑进行修改
将
sb.append("HTTP/1.1 200 OK\n");
sb.append("Content-Type: text/html; charset=UTF-8\n");
sb.append("\n");部分修改为
if(path.endsWith("css")) {
sb.append("HTTP/1.1 200 OK\n");
sb.append("Content-Type: text/css; charset=UTF-8\n");
sb.append("\n");
}else {
sb.append("HTTP/1.1 200 OK\n");
sb.append("Content-Type: text/html; charset=UTF-8\n");
sb.append("\n");
}
继续启动测试，效果如下
已经能够正常显示
总结
本文给出了两个版本的静态资源的服务器源码，希望读者能够有所收获。
【原创】自己动手实现JDK动态代理
项目结构如下图所示，maven项目
1、JDK动态代理
先来一段jdk动态代理的demo，
首先创建一个接口，Person
package bean;
public interface Person {
public void eat();
}然后写一个实现类PersonImpl
package bean;
public class PersonImpl implements Person{
@Override
public void eat() {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("time to eat ");
}
}然后写个使用类PersonInvocationHandler
package jdk;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
public class PersonInvocationHandler implements InvocationHandler {
private Object obj;
public PersonInvocationHandler(Object obj) {
this.obj = obj;
}
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
throws Throwable {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("before time to eat");
method.invoke(obj, args);
System.out.println("after time to eat");
return null;
}
}最后 再写个测试类
package jdk;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.lang.reflect.Proxy;
import sun.misc.ProxyGenerator;
import bean.Person;
import bean.PersonImpl;
public class jdkTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
PersonInvocationHandler personInvocationHandler = new PersonInvocationHandler(
new PersonImpl());
Person personProxy = (Person) Proxy.newProxyInstance(
PersonImpl.class.getClassLoader(),
PersonImpl.class.getInterfaces(), personInvocationHandler);
personProxy.eat();
}
}输出如下
before time to eat
time to eat
after time to eat接下里我们不使用JDK的API，自己实现一套代理类
2、自定义动态代理
先上测试类的代码，如下图所示，共有(1)(2)(3)处不同
针对(1)，我们有如下代码,先抄袭JDK的InvocationHandler，改个名字成为MyInvocationHandler
package custom;
import java.lang.reflect.Method;
public interface MyInvocationHandler {
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
throws Throwable;
}
编写一个JAVA类MyPersonInvocationHandler继承MyInvocationHandler，这段代码与PersonInvocationHandler的代码无异，如下所示
package custom;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
public class MyPersonInvocationHandler implements MyInvocationHandler {
private Object obj;
public MyPersonInvocationHandler(Object obj) {
this.obj = obj;
}
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
throws Throwable {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("before time to eat");
method.invoke(obj, args);
System.out.println("after time to eat");
return null;
}
}针对(2),我们实现一个自己的代理生成类MyProxy,其生成java代理类的步骤分为以下5步
- 生成java源碼
- 將源码输出到java文件中
- 将java文件编译成class文件
- 将class加载进jvm
- 返回代理类对象
具体代码如下
package custom;
import java.io.File;
import java.io.FileWriter;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Method;
import javax.tools.JavaCompiler;
import javax.tools.StandardJavaFileManager;
import javax.tools.ToolProvider;
public class MyProxy {
public static final String ln = "\r\n";
public static Object newProxyInstance(MyClassLoader myClassLoder,
Class<?>[] interfaces, MyInvocationHandler h) {
try{
// 1 java源碼
String src = generateSrc(interfaces);
// 2 將源码输出到java文件中
String filePath = MyProxy.class.getResource("").getPath();
System.out.println(filePath);
File f = new File(filePath + "$Proxy0.java");
FileWriter fw = new FileWriter(f);
fw.write(src);
fw.flush();
fw.close();
//3、将java文件编译成class文件
JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
StandardJavaFileManager manage = compiler.getStandardFileManager(null,null,null);
Iterable iterable = manage.getJavaFileObjects(f);
JavaCompiler.CompilationTask task = compiler.getTask(null,manage,null,null,null,iterable);
task.call();
manage.close();
//4、将class加载进jvm
Class proxyClass=myClassLoder.findClass("$Proxy0");
f.delete();
//5、返回代理类对象
Constructor constructor = proxyClass.getConstructor(MyInvocationHandler.class);
return constructor.newInstance(h);
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
return null;
}
private static String generateSrc(Class<?>[] interfaces) {
// TODO Auto-generated method stub
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("package custom;" + ln);
sb.append("import java.lang.reflect.Method;" + ln);
sb.append("public class $Proxy0 implements " + interfaces[0].getName() + "{" + ln);
sb.append("private MyInvocationHandler h;"+ln);
sb.append("public $Proxy0(MyInvocationHandler h) { " + ln);
sb.append("this.h = h;"+ln);
sb.append("}" + ln);
for (Method m : interfaces[0].getMethods()) {
sb.append("public " + m.getReturnType().getName() + " "
+ m.getName() + "() {" + ln);
sb.append("try{" + ln);
sb.append("Method m = " + interfaces[0].getName()
+ ".class.getMethod(\"" + m.getName()
+ "\",new Class[]{});" + ln);
sb.append("this.h.invoke(this,m,null);" + ln);
sb.append("}catch(Throwable e){" + ln);
sb.append("e.printStackTrace();" + ln);
sb.append("}"+ln);
sb.append("}"+ln);
}
sb.append("}" + ln);
return sb.toString();
}
}
针对(3)，我们继承ClassLoader,实现一套自己的类加载机制MyClassLoader，如下所示,
package custom;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
private File classPathfile;
public MyClassLoader() {
String classpth = MyClassLoader.class.getResource("").getPath();
classPathfile = new File(classpth);
}
@Override
public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
String className = MyClassLoader.class.getPackage().getName() + "." +name;
if (classPathfile != null) {
File file = new File(classPathfile, name + ".class");
FileInputStream fileInputStream = null;
ByteArrayOutputStream outputStream = null;
try{
fileInputStream = new FileInputStream(file);
outputStream = new ByteArrayOutputStream();
byte[] buff = new byte[1024];
int len;
while((len=fileInputStream.read(buff))!=-1){
outputStream.write(buff, 0, len);
}
return defineClass(className, outputStream.toByteArray(), 0, outputStream.size());
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
if(null!=fileInputStream){
try {
fileInputStream.close();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
if(null!=outputStream){
try {
outputStream.close();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
}
return null;
}
}最后测试类代码如下所示
package custom;
import java.lang.reflect.Proxy;
import custom.MyPersonInvocationHandler;
import bean.Person;
import bean.PersonImpl;
public class CustomTest {
public static void main(String[] args) {
MyPersonInvocationHandler personInvocationHandler = new MyPersonInvocationHandler(
new PersonImpl());
Person personProxy = (Person) MyProxy.newProxyInstance(
new MyClassLoader(), PersonImpl.class.getInterfaces(),
personInvocationHandler);
personProxy.eat();
}
}输出如何所示
before time to eat
time to eat
after time to eat
至此，我们已完全实现了一套自定义的jdk动态代理类