面试题：高并发场景下缓存设计的内存管理优化

Question

假设你正在设计一个高并发读写的缓存系统，内存资源有限。在这种场景下，如何避免频繁的缓存失效和内存碎片问题？请详细说明你的策略和涉及到的关键技术点，包括但不限于缓存淘汰算法的选择、内存分配策略等。

Answer 1

缓存淘汰算法

1. LRU（Least Recently Used）：选择最近最少使用的数据进行淘汰。它基于一个假设，即如果数据在最近一段时间内没有被访问，那么在未来一段时间内被访问的可能性也较小。实现LRU可以使用双向链表和哈希表。双向链表用于维护数据的访问顺序，哈希表用于快速定位数据在链表中的位置。
2. LFU（Least Frequently Used）：淘汰使用频率最低的数据。通过记录每个数据的访问次数，在需要淘汰数据时，选择访问次数最少的进行淘汰。实现LFU可以使用哈希表记录数据的访问频率，同时使用优先队列（最小堆）来快速找到频率最低的数据。

内存分配策略

1. 固定大小块分配：将内存划分成固定大小的块，每个缓存对象分配一个或多个这样的块。这种方式可以减少内存碎片，因为块的大小是固定的，分配和释放相对简单。例如，对于一些大小相近的缓存数据，可以都分配相同大小的块。
2. 伙伴系统：将内存空间按照2的幂次方大小进行划分。当需要分配内存时，从合适大小的块中分配；当释放内存时，检查相邻的块是否为伙伴（大小相同且地址相邻），如果是则合并成更大的块。这种策略能有效减少内存碎片，提高内存利用率。

避免频繁缓存失效策略

1. 设置合理的缓存过期时间：根据数据的访问模式和更新频率，设置不同的过期时间。对于经常更新的数据，设置较短的过期时间；对于相对稳定的数据，设置较长的过期时间。同时，可以采用随机化过期时间的方式，避免大量缓存同时过期，导致缓存雪崩。
2. 缓存预热：在系统启动时，预先加载一些常用的数据到缓存中，避免在高并发情况下，由于缓存未命中导致大量请求直接访问后端数据源，进而引发缓存失效的连锁反应。
3. 多级缓存：采用多级缓存结构，如一级缓存（靠近应用，如本地缓存）和二级缓存（如分布式缓存）。一级缓存可以处理大部分高频访问，减少对二级缓存的压力。当一级缓存失效时，再从二级缓存获取数据，从而降低缓存失效对系统性能的影响。