面试题：缓存设计：缓存失效策略在实时监控与告警中的定制与优化

Question

实时监控与告警系统对数据的时效性要求极高，不同类型的监控数据其重要性和时效性又有所不同。比如关键设备的运行状态数据要求近乎实时准确，而一些辅助性统计数据的时效性要求相对较低。请设计一套定制化的缓存失效策略，既能满足不同数据的时效性需求，又能在保证系统稳定运行的前提下，最大程度节省缓存资源。

Answer 1

1. 基于数据类型分类策略

• 关键设备运行状态数据：
  • 采用短期时效缓存：设置较短的缓存失效时间，例如 1 - 5 分钟。这样能保证数据近乎实时准确，因为关键设备状态变化可能影响整个系统运行，需及时更新缓存。
  • 主动更新机制：除了设置固定失效时间，当关键设备状态发生改变时，主动触发缓存更新操作，绕过失效时间限制，确保缓存数据的及时性。
• 辅助性统计数据：
  • 设置较长时效缓存：鉴于其时效性要求相对较低，可设置数小时甚至一天的缓存失效时间，比如 2 - 12 小时，以减少缓存更新频率，节省资源。
  • 被动更新：依赖缓存自然失效，在失效后重新计算或获取数据。

2. 基于访问频率策略

• 高频访问数据：
  • 延长缓存时间：对于那些经常被查询的监控数据，适当延长其缓存失效时间，以减少频繁从数据源获取数据的开销。可以根据访问频率动态调整，例如每访问一定次数，增加一定的缓存时长。
  • 采用二级缓存：一级缓存设置较短时效，用于快速响应，二级缓存设置较长时效，当一级缓存失效时，从二级缓存获取数据，减少直接从数据源读取的次数。
• 低频访问数据：
  • 设置较短时效：对于很少被访问的数据，设置较短的缓存失效时间，比如 10 - 30 分钟，以便在不影响系统使用的情况下，及时释放缓存资源。
  • 懒加载机制：在缓存失效后，只有再次访问时才重新加载数据到缓存，避免无效的缓存占用。

3. 缓存淘汰策略

• 结合 LRU（最近最少使用）与 LFU（最不经常使用）：
  • 对于所有缓存数据，在缓存空间不足时，优先淘汰最近最少使用或最不经常使用的数据。LRU 算法能快速淘汰长时间未被访问的数据，LFU 算法更关注数据的整体访问频率，两者结合可有效利用缓存空间。
  • 定期清理：设置定时任务，定期检查并清理那些已失效但未被及时淘汰的缓存数据，确保缓存空间得到及时释放。

4. 动态调整策略

• 实时监测与反馈：建立一个监控模块，实时监测不同类型数据的访问频率、时效性满足情况等指标。根据监测结果，动态调整缓存失效时间和淘汰策略。
• 自适应调整：当系统负载发生变化时，自动调整缓存策略。例如，在系统高负载时，适当缩短缓存失效时间，以释放更多资源处理实时业务；在低负载时，延长缓存时间，提高缓存利用率。