面试题：结合Redis和MySQL实现高并发积分排名系统的架构设计

Question

现在要设计一个支持高并发的积分排名系统，要求使用Redis和MySQL共同协作。请你阐述整体架构设计思路，包括如何划分Redis和MySQL在该系统中的职责，怎样处理数据一致性问题，以及面对极端高并发场景下的应对策略等方面。

Answer 1

整体架构设计思路

1. 数据读写流程：在高并发场景下，积分的实时更新操作（如用户获得或扣除积分）首先由 Redis 处理。因为 Redis 是基于内存的高性能键值数据库，能快速响应读写请求。对于积分查询操作，同样优先从 Redis 获取数据。当 Redis 中没有缓存相应数据时，再从 MySQL 读取，读取后更新 Redis 缓存，以加速后续查询。
2. 数据存储分层：Redis 主要存储热数据，如近期频繁访问的用户积分信息和实时排名数据。MySQL 作为持久化存储，保存所有用户的积分历史记录以及完整的积分排名数据，确保数据的可靠性和完整性。

Redis 和 MySQL 的职责划分

1. Redis 职责：
   • 实时积分更新：负责处理积分的实时增减操作。例如，用户完成一个任务获得积分，系统立即将该积分变化在 Redis 中更新。这样能快速响应用户请求，无需等待 MySQL 的持久化操作。
   • 缓存积分和排名数据：缓存热门用户的积分信息以及积分排名数据。通过设置合适的缓存过期时间，既能保证数据的时效性，又能减少对 MySQL 的查询压力。例如，每 5 分钟更新一次热门用户的积分缓存。
   • 计数器功能：利用 Redis 的原子计数器功能，方便地实现积分的增减操作。比如，使用 INCRBY 命令来增加用户积分。
2. MySQL 职责：
   • 数据持久化：作为数据的最终存储，将所有积分变化和用户积分信息持久化保存。这确保了即使系统崩溃或 Redis 数据丢失，积分数据依然完整。
   • 复杂查询和分析：处理需要复杂查询的场景，如查询某个时间段内积分增长最快的用户列表。MySQL 的关系型数据库结构和强大的查询语言能更好地支持这类操作。
   • 数据备份和恢复：提供数据备份机制，定期备份积分数据，以便在数据丢失或损坏时能够恢复。

数据一致性问题处理

1. 定期同步：设置一个定时任务（如每小时一次），将 Redis 中的积分变化批量同步到 MySQL。在同步过程中，先将 Redis 中的积分数据读取出来，然后通过事务操作在 MySQL 中进行更新，确保数据的一致性。
2. 异步队列：使用消息队列（如 Kafka）来处理积分更新操作。当用户积分发生变化时，先将积分更新消息发送到队列中。然后由一个消费者从队列中读取消息，依次在 Redis 和 MySQL 中更新数据。这样可以保证更新操作的顺序性，避免数据不一致问题。
3. 缓存失效策略：当在 MySQL 中手动修改积分数据（如管理员调整用户积分）时，立即使 Redis 中相应的缓存数据失效。下次查询时，系统会从 MySQL 重新读取数据并更新 Redis 缓存，从而保证数据的一致性。

极端高并发场景下的应对策略

1. 读写分离：在 MySQL 方面，采用读写分离架构。主库负责处理写操作（积分更新），从库负责处理读操作（积分查询）。通过增加从库数量，可以分散读压力，提高系统的并发处理能力。
2. 分布式缓存：如果单个 Redis 实例无法满足高并发需求，可以采用分布式缓存方案，如 Redis Cluster。将积分数据分散存储在多个 Redis 节点上，提高缓存的读写性能和可用性。
3. 限流与降级：设置限流机制，限制单位时间内对积分系统的请求次数，防止过多请求压垮系统。当系统负载过高时，启用降级策略，如返回缓存中的旧数据或提示用户稍后重试，以保证系统的基本可用性。
4. 优化数据结构：在 Redis 中，合理选择数据结构以提高性能。例如，使用 Sorted Set 来存储积分排名数据，利用其有序性和高效的查询功能，快速获取用户的排名信息。在 MySQL 中，对常用查询字段建立索引，优化数据库查询性能。