面试题：缓存设计之NUMA架构下内存缓存的资源分配优化

Question

在NUMA架构的后端开发内存缓存设计中，如何更合理地分配缓存资源以减少跨节点访问开销？请结合具体场景说明实现思路与可能用到的数据结构或算法。

Answer 1

实现思路

1. 感知NUMA节点：在程序初始化阶段，通过操作系统提供的接口（如Linux下的numactl相关函数）获取系统的NUMA节点信息，包括节点数量、每个节点的内存分布等。例如，在C语言中可以调用numa_available()函数来判断系统是否支持NUMA，使用numa_num_configured_nodes()获取配置的节点数量。
2. 基于本地性原则分配缓存：
   • 数据本地性：对于经常被同一节点上的进程或线程访问的数据，将其缓存放置在该节点本地内存。比如，在一个Web服务器应用中，如果某些用户会话数据主要由特定节点上的服务器进程处理，那么将这些会话数据的缓存分配到该节点。
   • 计算本地性：当有计算密集型任务与缓存数据关联时，把缓存放置在执行计算任务所在的节点。例如，一个图像渲染后端，若某个节点负责特定区域的渲染计算，相关的图像数据缓存就应放在该节点。
3. 动态调整缓存分配：随着系统负载的变化，缓存的访问模式也可能改变。定期监测每个节点上缓存的访问频率和命中率等指标。如果发现某个节点上的缓存经常被其他节点访问，而本地访问较少，可以考虑将部分缓存迁移到更常访问它的节点。例如，使用定时器定期触发监测函数，分析缓存访问日志来获取这些指标。

可能用到的数据结构或算法

1. 哈希表：用于快速定位缓存数据。可以设计一个基于NUMA节点感知的哈希表，例如，以数据的唯一标识作为键，在哈希函数设计中考虑NUMA节点信息。当计算哈希值后，根据哈希值映射到对应的NUMA节点缓存区域。比如，在C++中可以使用unordered_map，并自定义哈希函数。
2. 链表：维护缓存的使用顺序，实现缓存淘汰策略。例如，使用双向链表实现LRU（最近最少使用）算法。每个缓存项作为链表节点，当缓存项被访问时，将其移动到链表头部；当需要淘汰缓存时，从链表尾部移除节点。这样可以优先淘汰长时间未被访问的缓存数据，为新数据腾出空间。
3. 位图（Bitmap）：用于标记每个NUMA节点上缓存块的使用状态。可以通过一个位图数组，每个位对应一个缓存块，0表示空闲，1表示已使用。在分配缓存时，通过检查位图快速找到空闲的缓存块。在C语言中，可以使用unsigned char数组来实现简单的位图。