PHP 缓存机制：Redis/Memcached 集成、缓存失效策略与穿透防护

一、为什么需要缓存机制

在Web开发中，数据库查询往往是性能瓶颈的主要来源。每次用户请求都要从数据库读取数据，不仅会增加数据库负担，还会导致响应时间变长。这时候缓存机制就派上用场了，它可以将经常访问的数据暂时存储在内存中，下次请求时直接从内存读取，大大提升系统响应速度。

以电商网站为例，商品详情页每天会被访问数百万次。如果每次都从数据库查询，MySQL服务器很可能扛不住这么大的压力。但如果使用Redis缓存商品信息，读取速度可以提升10-100倍。

二、Redis与Memcached的选择

Redis和Memcached都是内存缓存系统，但各有特点：

Redis支持更丰富的数据结构（字符串、哈希、列表、集合等），支持持久化，支持主从复制，功能更全面。Memcached则更简单轻量，在多核服务器上性能表现更好。

对于PHP项目来说，Redis通常是更好的选择，因为：

支持更复杂的数据结构
有更好的PHP客户端支持
持久化功能可以防止缓存丢失
支持Lua脚本，可以实现更复杂的逻辑

三、PHP中集成Redis缓存

下面我们来看一个完整的PHP集成Redis的示例（技术栈：PHP + Redis）：

<?php
// 连接Redis服务器
$redis = new Redis();
try {
    $redis->connect('127.0.0.1', 6379);
    $redis->auth('your_password'); // 如果有密码
    $redis->select(0); // 选择数据库0
} catch (RedisException $e) {
    die("Redis连接失败: " . $e->getMessage());
}

// 定义缓存键名
$cacheKey = 'product:123';

// 尝试从缓存获取数据
$productData = $redis->get($cacheKey);

if ($productData === false) {
    // 缓存未命中，从数据库查询
    $pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=shop', 'username', 'password');
    $stmt = $pdo->prepare("SELECT * FROM products WHERE id = ?");
    $stmt->execute([123]);
    $productData = $stmt->fetch(PDO::FETCH_ASSOC);
    
    // 将数据存入Redis，设置1小时过期时间
    $redis->setex($cacheKey, 3600, json_encode($productData));
    
    echo "数据来自数据库\n";
} else {
    // 缓存命中
    $productData = json_decode($productData, true);
    echo "数据来自Redis缓存\n";
}

// 使用数据
print_r($productData);
?>

这个示例展示了最基本的缓存使用模式：

先尝试从Redis获取数据
如果缓存不存在，从数据库查询
将查询结果存入Redis，并设置过期时间
下次请求就可以直接从缓存读取

四、缓存失效策略

缓存失效是个重要话题，处理不好会导致数据不一致或缓存失效。常见的策略有：

定时过期：设置固定的过期时间（如上面的3600秒）
主动失效：当数据变更时，主动删除缓存
永不失效：适用于极少变更的数据

主动失效的示例：

// 更新商品信息后，使缓存失效
function updateProduct($id, $newData) {
    $pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=shop', 'username', 'password');
    
    // 更新数据库
    $stmt = $pdo->prepare("UPDATE products SET name=?, price=? WHERE id=?");
    $stmt->execute([$newData['name'], $newData['price'], $id]);
    
    // 删除缓存
    $redis = new Redis();
    $redis->connect('127.0.0.1', 6379);
    $redis->del("product:$id");
    
    return true;
}

五、缓存穿透防护

缓存穿透是指查询一个不存在的数据，导致每次请求都落到数据库上。防护方法有：

布隆过滤器：快速判断数据是否存在
缓存空值：对不存在的数据也缓存，但设置较短过期时间

缓存空值的示例：

function getProduct($id) {
    $redis = new Redis();
    $redis->connect('127.0.0.1', 6379);
    
    $cacheKey = "product:$id";
    $data = $redis->get($cacheKey);
    
    if ($data !== false) {
        // 如果是我们缓存的空值标记
        if ($data === '__NULL__') {
            return null;
        }
        return json_decode($data, true);
    }
    
    // 查询数据库
    $pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=shop', 'username', 'password');
    $stmt = $pdo->prepare("SELECT * FROM products WHERE id = ?");
    $stmt->execute([$id]);
    $product = $stmt->fetch(PDO::FETCH_ASSOC);
    
    if (!$product) {
        // 缓存空值，5分钟过期
        $redis->setex($cacheKey, 300, '__NULL__');
        return null;
    }
    
    // 缓存真实数据
    $redis->setex($cacheKey, 3600, json_encode($product));
    return $product;
}

六、高级缓存模式

对于更复杂的场景，可以考虑以下模式：

缓存预热：系统启动时加载热点数据到缓存
多级缓存：本地缓存+分布式缓存
读写分离：写操作直接操作数据库，读操作优先读缓存

多级缓存示例：

// 使用APCu作为本地缓存，Redis作为分布式缓存
function getProductWithMultiCache($id) {
    // 先检查本地缓存
    $localCacheKey = "product_local:$id";
    $product = apcu_fetch($localCacheKey, $success);
    
    if ($success) {
        return $product;
    }
    
    // 本地缓存未命中，检查Redis
    $redis = new Redis();
    $redis->connect('127..0.1', 6379);
    $redisKey = "product:$id";
    $product = $redis->get($redisKey);
    
    if ($product !== false) {
        // 存入本地缓存，1分钟过期
        apcu_store($localCacheKey, $product, 60);
        return json_decode($product, true);
    }
    
    // 查询数据库
    $pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=shop', 'username', 'password');
    $stmt = $pdo->prepare("SELECT * FROM products WHERE id = ?");
    $stmt->execute([$id]);
    $product = $stmt->fetch(PDO::FETCH_ASSOC);
    
    if (!$product) {
        return null;
    }
    
    // 更新两级缓存
    $redis->setex($redisKey, 3600, json_encode($product));
    apcu_store($localCacheKey, $product, 60);
    
    return $product;
}

七、性能优化建议

合理设置过期时间：根据数据变更频率设置
批量操作：使用mget等批量命令减少网络开销
连接池：复用Redis连接
监控缓存命中率：确保缓存策略有效

批量操作示例：

// 批量获取多个商品信息
function getMultipleProducts($ids) {
    $redis = new Redis();
    $redis->connect('127.0.0.1', 6379);
    
    // 准备所有缓存键
    $cacheKeys = array_map(function($id) {
        return "product:$id";
    }, $ids);
    
    // 批量从Redis获取
    $cachedProducts = $redis->mget($cacheKeys);
    
    $result = [];
    $needQueryIds = [];
    
    foreach ($ids as $index => $id) {
        if ($cachedProducts[$index] !== false) {
            $result[$id] = json_decode($cachedProducts[$index], true);
        } else {
            $needQueryIds[] = $id;
        }
    }
    
    // 查询数据库获取未缓存的数据
    if (!empty($needQueryIds)) {
        $pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=shop', 'username', 'password');
        $placeholders = implode(',', array_fill(0, count($needQueryIds), '?'));
        $stmt = $pdo->prepare("SELECT * FROM products WHERE id IN ($placeholders)");
        $stmt->execute($needQueryIds);
        $products = $stmt->fetchAll(PDO::FETCH_ASSOC);
        
        // 更新缓存
        $pipe = $redis->multi(Redis::PIPELINE);
        foreach ($products as $product) {
            $key = "product:{$product['id']}";
            $pipe->setex($key, 3600, json_encode($product));
            $result[$product['id']] = $product;
        }
        $pipe->exec();
    }
    
    return $result;
}

八、总结

缓存是提升PHP应用性能的重要手段，Redis提供了强大的缓存功能。合理使用缓存可以：

显著降低数据库负载
提高应用响应速度
提升系统整体吞吐量

但也要注意缓存带来的复杂性：

数据一致性问题
缓存失效策略
缓存穿透、雪崩等问题

建议根据实际业务场景选择合适的缓存策略，并做好监控，确保缓存系统发挥最大价值。

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