面试题：缓存设计之中等难度：缓存与消息队列在电商库存扣减场景的联动应用

Question

在电商系统中，当用户下单时需要扣减库存。请描述如何利用缓存与消息队列来设计一个高效且可靠的库存扣减方案。说明缓存和消息队列各自的作用、数据交互流程以及可能遇到的问题和解决方案。

Answer 1

缓存的作用

1. 减轻数据库压力：在高并发下单场景下，直接操作数据库扣减库存会对数据库造成巨大压力。缓存可以在内存中快速处理大量库存扣减请求，减少对数据库的直接访问。
2. 提高响应速度：由于缓存位于内存中，读写速度远快于数据库，能够快速响应用户下单请求，提升用户体验。

消息队列的作用

1. 削峰填谷：在促销等高峰时段，下单请求量可能会瞬间剧增。消息队列可以接收并暂存这些大量的库存扣减请求，然后按照系统能够处理的速率逐步处理，避免系统因瞬间高并发而崩溃。
2. 保证数据一致性：当缓存中库存扣减成功后，通过消息队列异步通知数据库进行库存的最终更新，确保缓存与数据库中库存数据的一致性。即使在数据库更新过程中出现问题，消息队列可以保证消息不会丢失，可进行重试等操作。

数据交互流程

1. 下单请求到达：用户发起下单请求，系统首先检查缓存中对应商品的库存。
2. 缓存扣减库存：如果缓存中库存足够，直接在缓存中扣减库存，并将库存扣减消息发送到消息队列。同时，给用户返回下单成功的响应。
3. 消息队列处理：消息队列按照顺序依次取出库存扣减消息，通知数据库进行库存更新操作。数据库更新成功后，反馈更新结果。
4. 缓存与数据库一致性校验：定期（或在某些特定时机）对缓存和数据库中的库存数据进行一致性检查。如果发现不一致，以数据库中的数据为准，对缓存进行修正。

可能遇到的问题及解决方案

1. 缓存击穿：
   • 问题描述：在高并发场景下，某个热点商品的缓存过期瞬间，大量请求直接访问数据库，可能导致数据库压力过大甚至崩溃。
   • 解决方案：可以使用互斥锁（如 Redis 的 SETNX 命令）。当缓存过期时，只有一个请求能够获取到锁，去查询数据库并更新缓存，其他请求等待。待缓存更新完成后，释放锁，其他请求可以从缓存中获取数据。
2. 缓存雪崩：
   • 问题描述：大量缓存同时过期，导致大量请求直接访问数据库，引发数据库压力剧增。
   • 解决方案：为不同的缓存设置不同的过期时间，避免集中过期。同时，可以使用二级缓存，一级缓存失效后，从二级缓存获取数据，减轻数据库压力。
3. 消息队列消息丢失：
   • 问题描述：在消息队列处理过程中，可能因为网络问题、服务器故障等原因导致消息丢失，从而数据库未能及时更新库存，造成缓存与数据库数据不一致。
   • 解决方案：采用消息确认机制，消息队列发送消息后等待接收方的确认回复。如果未收到确认，进行重试。同时，可以开启消息持久化，将消息存储在磁盘上，即使消息队列服务器重启，消息也不会丢失。
4. 缓存与数据库数据不一致：
   • 问题描述：由于网络延迟、系统故障等原因，可能导致缓存扣减成功但数据库更新失败，或者数据库更新成功但缓存未及时同步，造成数据不一致。
   • 解决方案：一方面，加强消息队列的可靠性，确保库存更新消息能成功发送到数据库并处理。另一方面，定期进行缓存与数据库的数据比对和修复，发现不一致及时调整。还可以使用分布式事务框架（如 Seata 等）来保证数据的一致性。