面试题：如何基于Redis和MySQL设计高可用且高性能的分布式数据读取架构

Question

假设你要设计一个面向海量用户访问的分布式系统，要求利用Redis与MySQL结合实现高效数据读取，且具备高可用性和高性能。请阐述整体架构设计思路，包括但不限于数据分片策略、Redis集群模式选择、MySQL主从复制及读写分离的应用，以及如何处理系统在高并发下的数据一致性和故障恢复问题。

Answer 1

整体架构设计思路

1. 数据分片策略：
   • 哈希分片：使用一致性哈希算法对用户请求的标识（如用户ID）进行哈希计算，将数据均匀分布到不同的Redis节点和MySQL分片中。这样能保证数据相对均衡分布，减少数据倾斜。例如，对用户ID取模后映射到不同的Redis实例和MySQL库/表上。
   • 范围分片：根据时间范围（如按天、月划分数据）或业务逻辑范围（如用户等级范围）进行分片。在Redis中，每个范围对应不同的存储区域；在MySQL中，不同范围的数据存储在不同的表或库中。例如，对于按时间范围分片，每天的数据存放在不同的MySQL表中，在Redis中也按天的时间维度进行缓存。
2. Redis集群模式选择：
   • Redis Cluster：采用Redis Cluster模式，它是Redis官方提供的分布式解决方案。节点之间通过Gossip协议交换状态信息，自动进行故障检测和故障转移。它支持动态扩展节点，能够水平扩展系统的存储和处理能力。每个节点负责一部分哈希槽，客户端可以直接与任何节点通信，通过哈希槽定位数据所在节点。例如，当系统需要增加存储容量时，可以直接添加Redis节点，Redis Cluster会自动重新分配哈希槽。
   • 主从复制：在Redis Cluster内部，每个主节点可以有多个从节点，从节点复制主节点的数据，用于数据备份和读操作分担。当主节点出现故障时，从节点可以自动晋升为主节点，保证系统的高可用性。
3. MySQL主从复制及读写分离的应用：
   • 主从复制：设置MySQL主从架构，主库负责写操作，从库通过主从复制机制同步主库的数据。主库将写操作记录到二进制日志（Binlog）中，从库通过I/O线程读取主库的Binlog并写入中继日志（Relay Log），然后通过SQL线程将中继日志中的操作应用到从库。这样可以保证主从库数据的一致性。例如，在电商系统中，用户下单等写操作在主库执行，商品查询等读操作可以在从库执行。
   • 读写分离：应用程序根据操作类型（读或写）来选择连接到主库或从库。读操作连接到从库，利用多个从库分担读压力，提高系统的读性能；写操作连接到主库，保证数据的一致性。可以使用中间件（如MyCAT、Sharding - JDBC等）来实现读写分离的自动化路由。例如，在一个新闻网站中，文章的发布（写操作）连接到主库，文章的浏览（读操作）连接到从库。
4. 高并发下的数据一致性处理：
   • 读写顺序控制：在写操作完成后，立即更新Redis缓存，保证缓存与数据库数据的一致性。对于读操作，先从Redis中读取数据，如果缓存中没有，则从MySQL中读取并更新到Redis缓存中。例如，在用户信息修改场景下，先更新MySQL中的用户信息，然后更新Redis中的用户缓存。
   • 缓存过期策略：设置合理的缓存过期时间，对于经常变化的数据，设置较短的过期时间；对于不经常变化的数据，设置较长的过期时间。当缓存过期时，再次从数据库读取数据并更新缓存，从而保证数据的最终一致性。例如，对于实时性要求高的股票价格数据，缓存过期时间可以设置为几分钟；对于用户基本信息，缓存过期时间可以设置为一天。
   • 分布式锁：在涉及对共享数据的写操作时，使用Redis的分布式锁来保证同一时间只有一个写操作执行。例如，在电商的库存扣减场景下，使用分布式锁防止超卖现象。
5. 故障恢复问题处理：
   • Redis故障恢复：Redis Cluster通过Gossip协议自动检测节点故障，当主节点故障时，从节点会自动晋升为主节点。应用程序可以通过Redis客户端的重试机制，在连接失败时自动尝试连接其他可用节点。例如，Jedis客户端可以配置重试次数和重试间隔，当连接某个Redis节点失败时，自动尝试连接其他节点。
   • MySQL故障恢复：如果MySQL主库故障，需要手动或通过工具（如MHA等）将一个从库晋升为主库，并修改应用程序的配置，使其连接到新的主库。同时，要确保新主库与其他从库之间重新建立主从复制关系。例如，在MHA架构中，当主库故障时，MHA Manager会自动检测并将一个从库提升为主库，同时通知应用程序连接新的主库。