面试题：缓存设计之专家难度：复杂场景下缓存过期策略与自动刷新机制的融合

Question

在一个分布式微服务架构的金融系统中，不同的业务模块对数据一致性、实时性和性能有不同的要求。例如，交易记录模块对数据一致性要求极高，而用户资产统计模块对实时性要求稍低但对性能要求很高。设计一套通用的缓存过期策略与自动刷新机制，能够满足不同业务模块的多样化需求，详细说明该设计的架构、策略选择依据、不同模块如何适配以及可能面临的挑战和应对措施。

Answer 1

架构设计

1. 缓存层：采用分布式缓存系统，如Redis。利用其丰富的数据结构和高性能读写能力，满足不同业务模块的缓存需求。
2. 业务模块层：各个业务模块根据自身需求从缓存中读取数据或更新缓存。
3. 缓存管理模块：负责监控缓存状态，根据过期策略和自动刷新机制对缓存进行管理。

策略选择依据

1. 交易记录模块：
   • 过期策略：采用长时间不过期策略。由于对数据一致性要求极高，交易记录一旦写入，不应因缓存过期而丢失。
   • 自动刷新机制：采用事件驱动的刷新机制。当有新的交易记录写入数据库时，通过消息队列（如Kafka）发送消息，通知缓存管理模块更新对应的缓存数据。
2. 用户资产统计模块：
   • 过期策略：设置较短的过期时间，以保证缓存数据能定期更新。例如，每10分钟过期一次，既能满足对实时性要求稍低的需求，又能在一定程度上提高性能。
   • 自动刷新机制：采用定时任务刷新。每隔一段时间（如5分钟），由缓存管理模块查询数据库中的最新用户资产统计数据，并更新到缓存中。

不同模块适配

1. 交易记录模块：在写入交易记录到数据库后，立即发送消息到消息队列。缓存管理模块监听消息队列，接收到消息后更新对应的缓存数据。
2. 用户资产统计模块：在模块启动时，注册定时任务到缓存管理模块。缓存管理模块按照设定的时间间隔执行定时任务，更新缓存数据。

可能面临的挑战和应对措施

1. 缓存雪崩：
   • 挑战：大量缓存同时过期，导致请求全部落到数据库，可能使数据库压力过大甚至崩溃。
   • 应对措施：对不同模块的缓存过期时间设置随机偏移量，避免大量缓存同时过期。例如，用户资产统计模块的缓存过期时间在10分钟的基础上，随机增加1 - 5分钟的偏移量。
2. 缓存穿透：
   • 挑战：查询不存在的数据，每次都穿透到数据库，增加数据库压力。
   • 应对措施：在缓存中设置一个空值缓存，当查询不存在的数据时，先将空值存入缓存，并设置较短的过期时间。下次查询同样的数据时，直接从缓存中获取空值，避免穿透到数据库。
3. 缓存击穿：
   • 挑战：热点数据缓存过期瞬间，大量请求同时访问，导致数据库压力过大。
   • 应对措施：使用互斥锁（如Redis的SETNX命令）。当缓存过期时，只有一个请求能获取到锁并查询数据库更新缓存，其他请求等待，从而避免大量请求同时落到数据库。