面试题：缓存设计之内存缓存数据结构对性能的影响

Question

假设要设计一个高并发读写的内存缓存系统，从数据结构角度分析，如何选择和优化数据结构以满足每秒万级别的读写请求，同时尽量减少内存碎片的产生？

Answer 1

数据结构选择

1. 哈希表

   • 优点：哈希表可以提供非常快速的查找和插入操作，平均时间复杂度为 O(1)。对于高并发读写的内存缓存系统，快速的查找和插入是至关重要的，能够满足每秒万级别的读写请求。例如，在缓存系统中，我们可以将缓存的键值对存储在哈希表中，通过键快速定位到对应的值。
   • 缺点：哈希表的扩容可能会带来一定的性能开销，并且如果哈希函数设计不合理，可能会导致哈希冲突，影响查找性能。

2. 跳表

   • 优点：跳表是一种可以在 O(log n) 时间复杂度内完成查找、插入和删除操作的数据结构。它在有序性方面有优势，适合实现带有排序需求的缓存结构，比如按访问时间排序等。而且相比于平衡二叉树等结构，跳表的实现相对简单，并发控制也较为容易。
   • 缺点：跳表需要额外的空间来维护多层次的索引，会增加内存的使用。

3. 链表

   • 优点：链表在插入和删除操作上具有优势，时间复杂度为 O(1)。双向链表可以方便地在缓存系统中实现 LRU（最近最少使用）等策略，通过将最近访问的节点移动到链表头部，淘汰链表尾部的节点来管理缓存。
   • 缺点：链表的查找操作时间复杂度为 O(n)，如果单纯使用链表进行查找，性能较差，所以一般需要和其他数据结构（如哈希表）结合使用。

优化措施以减少内存碎片

1. 固定大小内存块分配
   • 采用固定大小的内存块分配策略。例如，根据缓存数据的常见大小，预先划分出几种固定大小的内存块。当需要存储数据时，直接从相应大小的内存块池中获取，使用完毕后再归还到池中。这样可以避免因不同大小数据频繁分配和释放导致的内存碎片。
2. 内存池技术
   • 实现内存池，将内存预先分配为较大的块，然后在需要时从内存池中细分出小块使用。当小块不再使用时，回收回内存池。内存池可以减少系统级的内存分配和释放次数，降低内存碎片产生的概率。例如，对于哈希表的节点内存分配，可以通过内存池来管理。
3. 对象复用
   • 在缓存系统中，尽量复用已有的对象。比如对于链表节点，当某个节点从链表中移除但尚未被淘汰出缓存时，可以将其标记为可复用状态，下次需要新节点时直接复用，而不是重新分配内存。
4. 合理的内存对齐
   • 在数据结构设计时，进行合理的内存对齐。确保数据在内存中的存储方式能够充分利用内存空间，减少因内存对齐导致的空间浪费，从而间接减少内存碎片。例如，在结构体定义中，按照成员变量大小和对齐要求合理排列成员顺序。