面试题：缓存设计之专家难度TTL优化难题

Question

在一个分布式微服务架构的大型系统中，存在多种类型的数据缓存，如用户信息缓存、订单缓存、配置信息缓存等，不同类型数据的更新频率和一致性要求差异很大。请设计一套通用的缓存TTL优化框架，不仅能满足各类型数据的特性需求，还要具备高扩展性和可维护性，描述该框架的整体架构、关键模块以及工作流程。

Answer 1

整体架构

1. 配置中心：负责存储各类缓存数据的 TTL 配置信息，以及一致性策略等相关参数。可以使用诸如 Apollo、Nacos 等配置中心产品。它独立于业务系统，便于集中管理和动态修改配置。
2. 缓存管理模块：这是框架的核心模块，负责与实际的缓存系统（如 Redis）进行交互。它接收来自业务模块的缓存读写请求，根据配置中心的配置决定如何处理缓存数据，包括设置 TTL、处理缓存更新等操作。
3. 业务模块：各个微服务中涉及缓存操作的部分。它们调用缓存管理模块提供的接口来进行缓存的读写，无需关心具体的 TTL 配置和缓存策略细节。

关键模块

1. 配置解析器：位于缓存管理模块内，负责从配置中心拉取配置信息，并解析成缓存管理模块可理解的内部数据结构。例如，将配置文件中关于用户信息缓存的 TTL 时间和一致性策略解析为具体的参数对象。
2. 缓存操作器：同样在缓存管理模块内，封装了对缓存系统的基本操作，如设置缓存值、获取缓存值、删除缓存等。它根据配置解析器提供的配置和业务模块的请求，对缓存执行相应操作，并处理 TTL 设置。
3. 一致性协调器：针对不同数据的一致性要求差异，该模块负责实现相应的一致性策略。例如，对于一致性要求高的订单缓存，在数据更新时采用同步更新缓存的策略；对于一致性要求相对较低的用户信息缓存，可以采用异步更新或者延迟更新的策略。

工作流程

1. 初始化：
   • 缓存管理模块启动时，配置解析器从配置中心拉取各类缓存数据的 TTL 及一致性策略等配置信息，并完成解析。
   • 缓存操作器初始化与缓存系统（如 Redis）的连接。
2. 缓存读取：
   • 业务模块发起缓存读取请求到缓存管理模块。
   • 缓存操作器根据请求的缓存类型，查找配置解析器解析后的配置信息，获取对应的 TTL 设置。
   • 缓存操作器从缓存系统中获取数据，如果缓存命中，则直接返回数据给业务模块；若缓存未命中，则业务模块从数据源（如数据库）获取数据，然后缓存操作器将数据存入缓存，并设置 TTL，最后返回数据给业务模块。
3. 缓存更新：
   • 业务模块进行数据更新操作后，向缓存管理模块发送缓存更新请求。
   • 一致性协调器根据配置信息中的一致性策略进行处理。对于同步更新策略，缓存操作器立即更新缓存数据，并重新设置 TTL；对于异步更新策略，将更新任务放入消息队列（如 Kafka），由专门的异步处理服务从队列中获取任务并更新缓存，同时设置 TTL。
4. 配置动态更新：
   • 配置中心的配置信息发生变化时，会主动通知缓存管理模块。
   • 配置解析器重新拉取并解析配置信息，缓存管理模块根据新的配置调整后续的缓存操作策略。