面试题：C++ 复杂项目中全局变量引用与模块化设计的深度考量

Question

在一个基于C++开发的高并发、分布式系统中，各模块分布在不同的节点上，并且需要频繁引用一些全局配置变量。在这种复杂场景下，如何设计全局变量的引用机制，以确保在高并发访问时数据的一致性、模块间的独立性以及系统的可扩展性？请详细阐述设计思路，并分析可能遇到的问题及解决方案。

Answer 1

设计思路

1. 配置中心：
   • 建立一个独立的配置中心服务，各模块通过网络请求从配置中心获取全局配置变量。例如，可以使用etcd、Consul等分布式键值存储作为配置中心。这样各模块不需要在本地保存配置的副本，而是在需要时实时获取最新配置。
   • 配置中心支持配置的动态更新，当配置发生变化时，能够通知到相关模块。比如etcd可以利用Watch机制，当配置项发生改变时，客户端能收到通知并重新获取配置。
2. 本地缓存：
   • 为了减少对配置中心的频繁请求，各模块在本地设置缓存来存储全局配置变量。在启动时，模块从配置中心拉取配置并缓存起来。
   • 可以采用LRU（最近最少使用）等缓存淘汰策略来管理缓存空间，确保缓存的有效性。同时，设置合理的缓存过期时间，定期从配置中心更新缓存，例如每隔一定时间（如5分钟）重新获取配置并更新缓存。
3. 线程安全：
   • 对于本地缓存的全局配置变量，由于是在高并发环境下访问，需要确保线程安全。可以使用互斥锁（如std::mutex）来保护对缓存的读写操作。
   • 例如，在读取配置变量时，先锁定互斥锁，读取完成后再解锁。在更新缓存时同样如此，保证同一时间只有一个线程可以操作缓存，避免数据竞争。
4. 模块独立性：
   • 每个模块通过统一的接口来访问全局配置变量，该接口封装了对配置中心和本地缓存的操作。这样模块内部不需要关心配置是如何获取和更新的，只需要调用接口获取配置即可，提高了模块间的独立性。
   • 例如，可以定义一个ConfigManager类，提供getConfigValue等方法，模块通过ConfigManager实例来获取配置。

可能遇到的问题及解决方案

1. 网络问题：
   • 问题：模块与配置中心之间的网络连接可能出现故障，导致无法获取或更新配置。
   • 解决方案：采用重试机制，当网络请求失败时，按照一定的策略（如指数退避）进行重试。同时，可以设置备用的配置中心节点，当主配置中心不可用时，切换到备用节点获取配置。
2. 缓存一致性：
   • 问题：由于各模块有本地缓存，可能出现缓存不一致的情况，比如部分模块更新了缓存，而其他模块还未更新。
   • 解决方案：配置中心在通知配置更新时，采用广播机制通知所有相关模块，确保所有模块能及时获取最新配置并更新缓存。同时，在模块启动或加入集群时，强制从配置中心获取最新配置，保证初始状态的一致性。
3. 性能问题：
   • 问题：频繁地从配置中心获取配置或操作本地缓存的锁可能导致性能瓶颈。
   • 解决方案：一方面，优化配置中心的性能，如采用分布式架构、合理的缓存策略等，减少单个请求的响应时间。另一方面，对于本地缓存，可以采用读写锁（如std::shared_mutex）来提高并发读的性能，因为读操作通常远多于写操作。同时，可以根据实际情况调整缓存过期时间，在保证配置及时性的前提下减少更新频率。