面试题：分布式系统面对高并发下缓存穿透的综合应对与架构优化

Question

假设在一个高并发的分布式电商系统中，商品数据存储在分布式缓存和数据库中。现面临缓存穿透问题，导致数据库压力剧增甚至可能崩溃。请从系统架构层面提出一套完整的综合解决方案，包括但不限于缓存策略调整、数据验证机制、流量管控措施以及如何与现有系统无缝集成，确保系统在高并发场景下既能有效应对缓存穿透问题，又能保持高性能和高可用性。

Answer 1

1. 缓存策略调整

• 布隆过滤器：在缓存之前，使用布隆过滤器。布隆过滤器可以快速判断某个 key 是否存在。当一个请求过来，先经过布隆过滤器，如果布隆过滤器判断该 key 不存在，直接返回，无需查询数据库。这样能在一定程度上避免无效的数据库查询。例如，在启动阶段，将数据库中的商品 ID 批量加载到布隆过滤器中。
• 空值缓存：当查询数据库发现某个 key 对应的数据为空时，也将这个空值缓存起来，并设置一个较短的过期时间。下次相同请求过来，直接从缓存中获取空值，避免再次查询数据库。例如，设置空值缓存的过期时间为 1 分钟。

2. 数据验证机制

• 参数校验：在系统入口处，对传入的参数进行严格校验。比如对于商品查询请求，检查商品 ID 是否符合规范，是否为合法的数字等。如果参数不合法，直接返回错误信息，不进行后续的缓存和数据库查询。
• 权限验证：确保请求方具有查询商品数据的权限。只有合法的、经过授权的请求才能进入后续的处理流程，防止恶意请求造成缓存穿透。

3. 流量管控措施

• 限流：采用限流算法，如令牌桶算法或漏桶算法。对每个客户端或 IP 限制单位时间内的请求数量。例如，限制每个 IP 每分钟只能发起 100 次商品查询请求，超出部分直接返回限流提示，避免过多无效请求涌入系统。
• 熔断降级：设置熔断机制，当数据库的请求错误率或负载达到一定阈值时，熔断电路，暂时停止对数据库的查询，直接返回默认数据或错误信息。同时，开启降级策略，比如返回一些热门商品的缓存数据，保证系统的基本可用性。

4. 与现有系统无缝集成

• 代码侵入式集成：在现有系统的商品查询逻辑中，逐步添加上述的缓存策略调整、数据验证机制和流量管控措施的代码。例如，在查询缓存之前插入布隆过滤器的判断逻辑，在获取数据库数据之后添加空值缓存的逻辑等。
• 中间件集成：可以开发或引入相关中间件来处理这些逻辑。比如开发一个专门的过滤器中间件，在请求到达业务逻辑之前，先经过该中间件进行参数校验、布隆过滤器判断、限流等操作。这样对现有系统的业务代码侵入较小，便于维护和扩展。同时，通过配置中心来管理相关的中间件参数，如限流阈值、布隆过滤器的参数等，方便在不同环境下进行调整。