面试题：缓存设计之Memcached数据持久化架构创新

Question

假设你正在设计一个高可用、高性能且具备数据持久化功能的Memcached集群架构，该架构需应对突发的高并发读写请求以及数据丢失风险。请详细描述你的设计思路，包括所采用的持久化策略、数据一致性保证机制以及集群扩展方案等。

Answer 1

持久化策略

1. 使用磁盘快照（Snapshot）：定期将内存中的数据以快照的形式写入磁盘。可设置一个合适的时间间隔，比如每隔一定时间（如每小时）进行一次全量快照。这样当系统故障重启时，能够快速从最新的快照恢复数据。
2. 追加式日志（Append - Only - File, AOF）：每次数据更新操作都追加记录到AOF文件中。这种方式可以保证数据的完整性，即使系统崩溃，重启后通过重放AOF文件中的记录即可恢复到崩溃前的状态。同时可以定期对AOF文件进行重写，以减少文件大小。

数据一致性保证机制

1. 读写锁（Read - Write Lock）：对于读操作允许多个客户端同时进行，而写操作则需要获取独占锁，确保在写操作期间没有其他读写操作进行，防止数据不一致。
2. 版本号控制（Version Numbering）：为每个数据项添加版本号。当数据被读取时，同时获取版本号。在写操作时，先比较当前版本号与读取时的版本号，如果一致则进行写操作并更新版本号，否则说明数据已被其他客户端修改，写操作失败，客户端需重新读取数据并再次尝试。
3. 分布式一致性协议（如Raft或Paxos）：在集群环境下，使用分布式一致性协议来保证多个节点之间的数据一致性。这些协议能够选举出一个领导者（Leader），由领导者负责处理数据的写入操作，并通过日志复制等机制确保所有节点的数据最终一致。

集群扩展方案

1. 水平扩展（Horizontal Scaling）：
   • 增加节点：当集群需要应对更高的并发请求或存储更多数据时，可以添加新的Memcached节点。为了便于管理和负载均衡，可使用一致性哈希算法将数据均匀分布到各个节点上。
   • 自动发现机制：新节点加入集群时，需要有一种自动发现机制让其他节点知道它的存在。可以使用诸如Zookeeper等分布式协调服务来管理节点的注册与发现。
2. 垂直扩展（Vertical Scaling）：
   • 升级硬件：在不增加节点数量的情况下，通过升级服务器硬件（如增加内存、提升CPU性能等）来提高单个节点的处理能力。但这种方式存在一定的局限性，当硬件资源达到瓶颈时，就需要考虑水平扩展。
3. 负载均衡：
   • 硬件负载均衡器（如F5 Big - IP）：在集群前端部署硬件负载均衡器，根据预设的算法（如轮询、最少连接数等）将客户端请求均匀分配到各个Memcached节点上，提高集群的整体性能和可用性。
   • 软件负载均衡器（如Nginx或HAProxy）：同样可以在前端使用软件负载均衡器，实现类似的负载均衡功能，且成本较低，配置灵活，适合中小规模的集群。