面试题：TypeScript泛型类在复杂场景下的应用与优化

Question

假设你正在开发一个缓存系统，需要设计一个泛型类`Cache`，它可以缓存不同类型的数据。该类接收两个类型参数，一个是缓存数据的类型`T`，另一个是缓存键的类型`K`。要求实现以下功能：1. 提供`set`方法，用于将数据存储到缓存中，键值对为`(K, T)`；2. 提供`get`方法，根据键`K`获取缓存中的数据`T`；3. 实现缓存过期机制，在`set`方法中可以传入一个过期时间（以毫秒为单位），当调用`get`方法时，如果数据已过期，返回`null`。同时，为了优化内存使用，需要在数据过期后自动清理缓存。请给出高效且健壮的TypeScript代码实现，并简要说明设计思路和可能存在的性能瓶颈及优化方向。

Answer 1

class Cache<T, K> {
    private cache: Map<K, { value: T; expiration: number }>;
    private timer: Map<K, NodeJS.Timeout>;

    constructor() {
        this.cache = new Map();
        this.timer = new Map();
    }

    set(key: K, value: T, expiration: number): void {
        const currentTime = Date.now();
        const expirationTime = currentTime + expiration;
        this.cache.set(key, { value, expiration: expirationTime });

        if (this.timer.has(key)) {
            clearTimeout(this.timer.get(key) as NodeJS.Timeout);
        }

        const timeout = setTimeout(() => {
            this.cache.delete(key);
            this.timer.delete(key);
        }, expiration);

        this.timer.set(key, timeout);
    }

    get(key: K): T | null {
        const cached = this.cache.get(key);
        if (cached) {
            const currentTime = Date.now();
            if (currentTime < cached.expiration) {
                return cached.value;
            } else {
                this.cache.delete(key);
                if (this.timer.has(key)) {
                    clearTimeout(this.timer.get(key) as NodeJS.Timeout);
                    this.timer.delete(key);
                }
                return null;
            }
        }
        return null;
    }
}

设计思路

1. 数据存储：使用Map来存储键值对，这样可以方便地根据键获取值，并且Map的查找时间复杂度为O(1)。
2. 过期机制：为每个缓存项记录过期时间，每次设置缓存时更新过期时间，并设置一个定时器，在过期时自动删除缓存项。
3. 内存优化：通过定时器在数据过期后自动清理缓存，避免无效数据占用内存。

性能瓶颈及优化方向

1. 性能瓶颈：
   • 定时器管理：如果缓存项非常多，定时器的创建和管理可能会消耗大量资源，影响性能。
   • 过期检查：每次获取缓存时都检查过期时间，在高并发场景下可能会有性能问题。
2. 优化方向：
   • 定时器合并：可以考虑使用一个统一的定时器，定期检查所有缓存项的过期时间，而不是为每个缓存项创建单独的定时器。
   • 懒删除与定期清理：在获取缓存时不立即删除过期数据，而是标记为过期，然后通过一个后台任务定期清理过期数据，减少高并发场景下的性能开销。