面试题：缓存设计之高级难度TTL优化策略题

Question

假设你负责设计一个高并发的视频流媒体平台的缓存系统，视频的热度变化较大，有些热门视频可能会长时间播放，而一些冷门视频很快就无人问津。对于这种场景下的视频缓存TTL，你会如何设计动态调整策略，并且要考虑到缓存服务器的内存占用和性能开销等问题，详细说明设计方案。

Answer 1

1. 基于热度统计的TTL调整

• 热度计数：维护一个热度计数器，每当一个视频被请求播放时，相应的热度计数加1。同时记录每个视频最近一次被请求的时间。
• 热度衰减：每隔一定时间间隔（如1小时），对所有视频的热度计数进行衰减。例如，按照一定比例（如10%）减少热度计数，以反映视频热度随时间的自然下降。
• TTL设定：对于热度高且持续有请求的视频，设置较长的TTL（如数小时甚至数天）。对于热度较低且长时间未被请求的视频，逐渐缩短TTL（如几分钟到几十分钟）。例如，热度计数大于100且最近1小时内有请求的视频，TTL设为3小时；热度计数小于10且最近2小时内无请求的视频，TTL设为10分钟。

2. 缓存空间与性能权衡

• 缓存空间监控：实时监控缓存服务器的内存占用情况。当内存占用接近阈值（如80%）时，启动回收机制。
• 基于LRU的淘汰：结合最近最少使用（LRU）算法，优先淘汰长时间未被访问且热度较低的视频缓存。在选择淘汰对象时，综合考虑热度和最后访问时间，对于热度低且长时间未访问的视频，即使其TTL未到，也可提前淘汰。
• 性能开销控制：热度统计和TTL调整的操作尽量在缓存系统的后台线程中进行，避免对正常的视频请求处理造成较大影响。对于热度计数和时间记录等操作，采用高效的数据结构（如哈希表和链表结合），以降低性能开销。

3. 预测机制

• 时间周期分析：分析历史数据，找出视频热度变化的时间周期规律。例如，某些类型的视频在工作日晚上或周末可能更热门。
• 预加载与TTL调整：根据预测结果，在热度可能上升的时间段前，预加载相关视频到缓存，并适当延长其TTL。如预测到周末某类体育视频热度会上升，周五提前加载并将其TTL设为48小时，而平时TTL为12小时。这样既能提高用户体验，又能在热度未上升时合理控制缓存空间。