面试题：缓存设计之专家难度：FIFO 结合其他策略的混合缓存设计

Question

假设你正在设计一个大型分布式系统的缓存模块，该系统对缓存的读写性能和内存利用率要求极高。请设计一个结合 FIFO（先进先出）与其他合适缓存策略（如 LRU 或 LFU）的混合缓存方案，详细说明设计思路、数据结构、操作流程以及如何根据系统的动态变化（如负载、数据访问模式改变）进行自适应调整。

Answer 1

设计思路

1. 结合FIFO与LRU：FIFO 简单且对内存回收效率高，能快速释放长时间未清理的缓存；LRU 基于最近最少使用原则，能保留热点数据。将两者结合，在保证内存高效利用的同时，尽量缓存热点数据。
2. 分层设计：设计一个两层缓存结构，第一层使用 FIFO 策略作为快速淘汰层，主要用于快速处理大量短期数据，第二层使用 LRU 策略，用于缓存热点数据。

数据结构

1. FIFO 层：使用队列（Queue）数据结构，新数据从队尾插入，当缓存满时，从队头删除数据。
2. LRU 层：使用双向链表（Doubly Linked List）和哈希表（Hash Table）结合的数据结构。双向链表用于记录数据的访问顺序，哈希表用于快速定位数据在链表中的位置。

操作流程

1. 读操作：
   • 首先在 LRU 层查找数据，如果找到，将其移到链表头部（表示最近被访问），并返回数据。
   • 如果 LRU 层未找到，在 FIFO 层查找。若找到，将数据从 FIFO 队列中移除，插入到 LRU 层链表头部，并返回数据。
   • 若两层都未找到，则返回未命中。
2. 写操作：
   • 先检查 LRU 层是否已满，如果未满，直接将新数据插入到 LRU 层链表头部。
   • 如果 LRU 层已满，将链表尾部（最近最少使用）的数据移除，插入到 FIFO 队列队尾，然后将新数据插入到 LRU 层链表头部。
   • 如果 FIFO 层也已满，从 FIFO 队列队头删除数据，再将新数据插入到 FIFO 队列队尾。

自适应调整

1. 负载变化：
   • 当系统负载较低时，可适当减少 FIFO 层的缓存容量，增加 LRU 层的容量，因为此时系统有更多资源缓存热点数据。
   • 当系统负载较高时，增加 FIFO 层的缓存容量，以快速处理大量短期数据，减轻 LRU 层的压力。
2. 数据访问模式改变：
   • 可以通过统计数据访问频率来监测访问模式。如果发现热点数据的生命周期变长，即热点数据在一段时间内持续被频繁访问，适当增加 LRU 层的容量。
   • 如果发现大量短期数据的涌入，增加 FIFO 层的容量，以更好地处理这类数据。同时，可以定期调整两层缓存的容量比例，以适应数据访问模式的动态变化。