面试题：缓存设计之FIFO缓存替换策略的性能分析

Question

在一个简单的Web应用后端缓存场景中，使用FIFO缓存替换策略，假设缓存大小固定为10个数据块，初始缓存为空，依次有15个不同的数据块请求（编号1 - 15）。请分析缓存命中率的变化情况，并说明FIFO策略在这种场景下对系统性能的影响。

Answer 1

1. 缓存命中率变化分析
   • 初始阶段（前10次请求）：
     • 当依次请求数据块1 - 10时，由于缓存为空，每次请求都会导致缓存未命中。此时缓存命中率为0。例如，请求数据块1，缓存中没有，不命中，将1放入缓存；请求数据块2，缓存中没有，不命中，将2放入缓存，以此类推直到数据块10。
   • 后续请求阶段（第11 - 15次请求）：
     • 从第11次请求开始，缓存已满。按照FIFO策略，最早进入缓存的数据块会被替换出去。
     • 假设请求数据块11，缓存已满，最早进入的1被替换出去，此次请求不命中。请求数据块12，2被替换出去，不命中。请求数据块13，3被替换出去，不命中。请求数据块14，4被替换出去，不命中。请求数据块15，5被替换出去，不命中。在这5次请求中，每次请求都不命中，缓存命中率依然为0。
   • 总结：在这个场景下，对于这15次请求，缓存命中率始终为0。
2. FIFO策略对系统性能的影响
   • 优点：
     • 实现简单：FIFO策略的实现逻辑简单，不需要复杂的计算或比较，易于编程实现。例如在代码实现中，只需要维护一个队列，新数据块进入队列尾部，需要替换时从队列头部取出数据块移除即可。
   • 缺点：
     • 无法适应数据访问模式：它没有考虑数据的访问频率和最近使用情况。在实际应用中，如果某些数据块经常被访问，FIFO策略可能会将这些常用数据块过早地替换出去，导致缓存命中率低，增加了从后端数据源获取数据的次数，从而降低系统性能。例如，假设在这15次请求后，又频繁请求数据块1 - 5，由于FIFO策略已将它们替换出缓存，每次请求都要从后端获取，增加了系统开销。