面试题：基于Redis与MySQL数据同步的分布式系统设计

Question

设计一个分布式系统，其中Redis作为缓存，MySQL作为持久化存储，要求系统能够在多个节点间实现高效的数据同步，并且具备高可用性和容错能力。请描述整体架构设计、数据同步机制、故障处理策略以及如何保证最终一致性。

Answer 1

整体架构设计

1. 客户端层：客户端通过负载均衡器（如Nginx）连接到分布式系统的多个应用服务器节点。负载均衡器将请求均匀分配到不同节点，提高系统整体吞吐量和响应速度。
2. 应用服务器层：应用服务器节点负责处理业务逻辑。每个节点都有自己的本地缓存（Redis），用于快速响应经常访问的数据。同时，应用服务器与MySQL数据库建立连接，进行持久化数据的读写操作。
3. 缓存层（Redis）：采用Redis集群模式，如Redis Cluster。它通过数据分片的方式将数据分布在多个Redis节点上，提高缓存的存储容量和读写性能。各个应用服务器节点都可以访问Redis集群，实现数据的缓存共享。
4. 持久化存储层（MySQL）：使用MySQL主从复制架构，主库负责处理写操作，从库用于读操作。主库将写操作日志同步到从库，保证数据的一致性。应用服务器在写入数据时，先写入主库，然后更新本地缓存和Redis集群；读取数据时，优先从本地缓存读取，若缓存未命中，则从MySQL从库读取，并将数据写入本地缓存和Redis集群。

数据同步机制

1. 应用服务器与Redis同步：
   • 写操作：当应用服务器接收到写请求时，首先将数据写入MySQL主库。成功写入后，立即更新本地缓存和Redis集群。可以采用同步更新的方式，确保缓存数据与数据库数据的一致性。
   • 读操作：应用服务器从本地缓存读取数据。若缓存未命中，则从MySQL从库读取数据。读取成功后，将数据写入本地缓存和Redis集群，以便后续快速访问。
2. MySQL主从同步：MySQL主库将写操作记录在二进制日志（Binlog）中。从库通过I/O线程连接主库，获取Binlog并写入中继日志（Relay Log）。然后，从库的SQL线程读取中继日志，将写操作应用到从库，实现主从数据同步。

故障处理策略

1. 应用服务器故障：
   • 检测：负载均衡器通过心跳检测机制，定期检查应用服务器的健康状态。若发现某个应用服务器无响应，则判定其故障。
   • 处理：负载均衡器将不再向故障应用服务器发送请求，同时通知监控系统。运维人员可以根据监控信息对故障服务器进行修复或重启。在此期间，其他正常的应用服务器继续提供服务，保证系统的可用性。
2. Redis节点故障：
   • 检测：Redis Cluster内部采用Gossip协议进行节点状态检测。每个节点会定期向其他节点发送PING消息，若在一定时间内未收到PONG响应，则判定该节点故障。
   • 处理：Redis Cluster会自动将故障节点从集群中移除，并重新分配其负责的数据分片到其他正常节点。应用服务器在访问Redis时，若发现某个节点不可用，会自动重试其他节点，确保缓存访问的连续性。
3. MySQL主库故障：
   • 检测：从库通过检测与主库的连接状态以及主库的心跳信号来判断主库是否故障。若连接断开或长时间未收到心跳信号，则判定主库故障。
   • 处理：使用MHA（Master High Availability）等工具进行主从切换。MHA会自动选择一个从库提升为主库，并将其他从库重新连接到新的主库。应用服务器在发现主库不可用时，会自动切换到新的主库进行写操作，保证数据的持久化写入。

保证最终一致性

1. 缓存数据过期机制：在Redis中为缓存数据设置合理的过期时间。当数据在MySQL中更新后，虽然缓存可能暂时未更新，但在过期时间到达后，下次读取数据时会从MySQL重新读取并更新缓存，保证缓存数据与数据库数据的最终一致性。
2. 数据补偿机制：应用服务器在进行写操作时，记录操作日志。若出现部分缓存更新失败或MySQL主从同步延迟等情况，可以通过日志进行数据补偿。定期扫描日志，对未成功同步的数据进行重试操作，确保所有节点的数据最终一致。
3. 异步数据同步：对于一些对实时性要求不高的数据，可以采用异步方式进行同步。例如，在MySQL主从同步过程中，从库可能存在一定的延迟。通过异步同步机制，保证最终所有从库的数据与主库一致，同时应用服务器在读取数据时，对于非关键数据可以容忍一定的延迟，以换取系统的整体性能和可用性。