面试题：缓存设计中写直达与写回策略对系统性能的影响

Question

在高并发读写的后端系统中，写直达和写回策略分别会对系统的整体性能产生怎样的影响？从数据一致性、读写速度、存储开销等方面进行分析。

Answer 1

写直达（Write Through）

1. 数据一致性
   • 优势：能保证数据一致性。每次写操作都会立即同步到存储设备，主存和存储设备中的数据始终保持一致，当其他进程或系统组件读取数据时，总能获取到最新值。
   • 劣势：无明显劣势，但在高并发场景下，大量的写操作同步到存储设备，可能因存储设备的响应延迟导致短暂的一致性延迟。
2. 读写速度
   • 读操作：读速度基本不受写直达策略影响，因为读操作直接从主存读取数据，只要主存响应快，读速度就快。
   • 写操作：写操作速度相对较慢，因为每次写操作都需要等待存储设备确认写入完成，而存储设备（如磁盘）的写入速度通常比主存慢很多，在高并发写时，会成为性能瓶颈。
3. 存储开销
   • 优势：无额外存储开销用于缓存写数据，因为数据直接写入存储设备。
   • 劣势：存储设备频繁写入，可能导致存储设备磨损加剧，从长期看，增加了存储设备的维护成本。

写回（Write Back）

1. 数据一致性
   • 劣势：存在数据一致性问题。写操作仅更新主存中的数据副本，存储设备中的数据不会立即更新。在主存数据更新后但还未写回存储设备期间，如果系统发生故障，可能导致数据丢失或不一致。
   • 优势：通过写合并等机制，在一定程度上可以减少对存储设备的写操作次数，当多个写操作针对同一存储块时，合并后再写回，可提高数据一致性的概率。
2. 读写速度
   • 读操作：读速度较快，因为数据在主存中，只要主存响应快，读操作就能快速完成。而且在写回策略下，主存命中率可能更高，因为数据先留在主存。
   • 写操作：写操作速度快，因为只需更新主存中的数据，无需等待存储设备的写入确认。在高并发写场景下，能极大提高写操作的吞吐量。
3. 存储开销
   • 劣势：需要额外的存储开销来维护写缓冲区（Write Buffer），用于记录哪些数据已在主存更新但还未写回存储设备，以及相关的控制信息。
   • 优势：由于减少了对存储设备的直接写操作次数，在一定程度上降低了存储设备的I/O负载，延长了存储设备的使用寿命，间接降低了存储成本。