面试题：如何基于Redis过期键删除策略设计一个高可用且高效的缓存淘汰机制？

Question

基于Redis现有过期键删除策略（惰性删除、定期删除），设计一个适用于分布式系统的高可用且高效的缓存淘汰机制。要求阐述整体设计思路，包括但不限于如何处理不同节点间过期键同步、如何在保证系统高可用的同时优化内存和性能，以及如何应对可能出现的缓存雪崩等问题。

Answer 1

整体设计思路

1. 过期键同步：
   • 使用分布式消息队列（如 Kafka）：当某个 Redis 节点上的键过期时，该节点将过期键的相关信息（如键名、过期时间等）发送到消息队列。其他节点订阅该队列，接收到消息后，若本地存在相同键，则将其删除。这样可以保证不同节点间过期键的及时同步。
   • 结合 Redis 发布订阅（Pub/Sub）：在一些简单场景下，也可利用 Redis 自身的发布订阅功能。一个节点检测到键过期后，通过发布消息告知其他节点删除对应键。但此方式可靠性稍弱于消息队列，因为可能存在消息丢失情况，所以可作为辅助手段。
2. 保证高可用与优化内存和性能：
   • 主从复制与哨兵模式：采用 Redis 的主从复制机制，主节点负责写操作，从节点复制主节点数据。当主节点出现故障时，哨兵（Sentinel）自动检测并将一个从节点提升为主节点，保证系统的高可用性。同时，主从节点可以分担读请求，优化性能。
   • 优化过期键扫描：在定期删除策略中，合理设置扫描频率和每次扫描的键数量。可以根据系统负载动态调整，例如在系统负载较低时，适当增加扫描频率和每次扫描的键数，以更及时地清理过期键，释放内存；在负载高时，降低扫描频率，避免影响正常业务操作。
   • 使用 LRU（最近最少使用）或 LFU（最不经常使用）算法：在内存达到一定阈值时，除了依赖过期键删除，还可结合 LRU 或 LFU 算法淘汰最近最少使用或最不经常使用的键，进一步优化内存使用。
3. 应对缓存雪崩：
   • 设置随机过期时间：为缓存键设置过期时间时，在原计划过期时间基础上增加一个随机值，避免大量键在同一时间过期。例如，原过期时间为 60 分钟，可设置为 60 分钟 ± 10 分钟的随机值，这样键的过期时间就会分散开，降低缓存雪崩风险。
   • 二级缓存：构建二级缓存，如在应用层使用本地缓存（如 Guava Cache）。当 Redis 中的缓存失效时，先从本地缓存获取数据，若本地缓存也没有，则再从数据库获取。本地缓存可以分担一部分压力，防止大量请求直接冲击数据库。
   • 缓存预热：在系统启动初期，预先将一些热点数据加载到缓存中，避免系统刚启动时大量缓存未命中导致的压力。同时，定期对热点数据进行更新，保持缓存的有效性。