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面试题:缓存设计中CAP理论的基本概念及应用场景

请阐述CAP理论中一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition Tolerance)的含义,以及在缓存设计场景下,通常会优先保证哪些特性,为什么?
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后端开发缓存设计

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一致性(Consistency)

在分布式系统中,一致性意味着所有节点在同一时刻看到的数据是相同的。当一个数据更新操作发生后,后续所有的读取操作都应该获取到最新的值,就好像整个系统只有一个数据副本一样。例如在一个电商系统中,商品库存数量在某个节点减少后,其他节点立刻能获取到这个减少后的库存值。

可用性(Availability)

可用性是指系统在正常请求下,能够持续地提供服务,对用户的每个请求都能在合理时间内给出响应,而不会出现长时间等待或拒绝服务的情况。比如一个在线支付系统,用户随时发起支付请求,系统都能快速响应,告知支付结果。

分区容错性(Partition Tolerance)

分区容错性表示分布式系统在网络分区(由于网络故障、节点故障等原因导致部分节点之间无法通信)的情况下,仍然能够继续提供服务。即系统可以容忍网络中出现分区,并且在分区存在时,各分区内的节点仍能正常运行。例如一个跨国的分布式数据库,部分地区网络中断,其他地区的节点仍能为用户提供数据服务。

缓存设计场景下的优先特性及原因

在缓存设计场景下,通常会优先保证可用性(Availability)和分区容错性(Partition Tolerance)。

  • 可用性:缓存的主要作用是快速响应请求,提升系统性能。如果缓存不可用,大量请求直接穿透到后端数据库,会给数据库带来巨大压力,甚至导致数据库崩溃,进而影响整个系统的正常运行。例如在高并发的新闻资讯网站中,缓存若不可用,用户请求都去查询数据库,可能使数据库不堪重负。
  • 分区容错性:分布式缓存系统中,节点众多,网络故障等导致分区情况较易发生。为保证缓存功能不受影响,必须具备分区容错能力。若无法容忍分区,一旦出现网络问题,缓存就无法正常工作,系统性能将大幅下降。比如一个基于Redis集群的缓存系统,部分节点间网络断开,其他节点仍要能为应用提供缓存服务。 而一致性在缓存场景中相对较难保证,因为缓存数据更新可能存在延迟,要实现强一致性会增加系统复杂度和性能损耗,所以通常采用最终一致性等较弱的一致性模型。