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<title>03 设计缓存架构时需要考量哪些因素？.md.html</title>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/00 开篇寄语：缓存，你真的用对了吗？.md.html">00 开篇寄语：缓存，你真的用对了吗？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/01 业务数据访问性能太低怎么办？.md.html">01 业务数据访问性能太低怎么办？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/02 如何根据业务来选择缓存模式和组件？.md.html">02 如何根据业务来选择缓存模式和组件？</a>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/03 设计缓存架构时需要考量哪些因素？.md.html">03 设计缓存架构时需要考量哪些因素？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/04 缓存失效、穿透和雪崩问题怎么处理？.md.html">04 缓存失效、穿透和雪崩问题怎么处理？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/05 缓存数据不一致和并发竞争怎么处理？.md.html">05 缓存数据不一致和并发竞争怎么处理？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/06 Hot Key和Big Key引发的问题怎么应对？.md.html">06 Hot Key和Big Key引发的问题怎么应对？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/07 MC为何是应用最广泛的缓存组件？.md.html">07 MC为何是应用最广泛的缓存组件？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/08 MC系统架构是如何布局的？.md.html">08 MC系统架构是如何布局的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/09 MC是如何使用多线程和状态机来处理请求命令的？.md.html">09 MC是如何使用多线程和状态机来处理请求命令的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/10 MC是怎么定位key的.md.html">10 MC是怎么定位key的</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/11 MC如何淘汰冷key和失效key.md.html">11 MC如何淘汰冷key和失效key</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/12 为何MC能长期维持高性能读写？.md.html">12 为何MC能长期维持高性能读写？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/13 如何完整学习MC协议及优化client访问？.md.html">13 如何完整学习MC协议及优化client访问？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/14 大数据时代，MC如何应对新的常见问题？.md.html">14 大数据时代，MC如何应对新的常见问题？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/15 如何深入理解、应用及扩展 Twemproxy？.md.html">15 如何深入理解、应用及扩展 Twemproxy？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/16 常用的缓存组件Redis是如何运行的？.md.html">16 常用的缓存组件Redis是如何运行的？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/17 如何理解、选择并使用Redis的核心数据类型？.md.html">17 如何理解、选择并使用Redis的核心数据类型？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/18 Redis协议的请求和响应有哪些“套路”可循？.md.html">18 Redis协议的请求和响应有哪些“套路”可循？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/19 Redis系统架构中各个处理模块是干什么的？.md.html">19 Redis系统架构中各个处理模块是干什么的？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/20 Redis如何处理文件事件和时间事件？.md.html">20 Redis如何处理文件事件和时间事件？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/21 Redis读取请求数据后，如何进行协议解析和处理.md.html">21 Redis读取请求数据后，如何进行协议解析和处理</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/22 怎么认识和应用Redis内部数据结构？.md.html">22 怎么认识和应用Redis内部数据结构？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/23 Redis是如何淘汰key的？.md.html">23 Redis是如何淘汰key的？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/24 Redis崩溃后，如何进行数据恢复的？.md.html">24 Redis崩溃后，如何进行数据恢复的？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/25 Redis是如何处理容易超时的系统调用的？.md.html">25 Redis是如何处理容易超时的系统调用的？</a>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/26 如何大幅成倍提升Redis处理性能？.md.html">26 如何大幅成倍提升Redis处理性能？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/27 Redis是如何进行主从复制的？.md.html">27 Redis是如何进行主从复制的？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/28 如何构建一个高性能、易扩展的Redis集群？.md.html">28 如何构建一个高性能、易扩展的Redis集群？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/29 从容应对亿级QPS访问，Redis还缺少什么？.md.html">29 从容应对亿级QPS访问，Redis还缺少什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/30 面对海量数据，为什么无法设计出完美的分布式缓存体系？.md.html">30 面对海量数据，为什么无法设计出完美的分布式缓存体系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/31 如何设计足够可靠的分布式缓存体系，以满足大中型移动互联网系统的需要？.md.html">31 如何设计足够可靠的分布式缓存体系，以满足大中型移动互联网系统的需要？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/32 一个典型的分布式缓存系统是什么样的？.md.html">32 一个典型的分布式缓存系统是什么样的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/33 如何为秒杀系统设计缓存体系？.md.html">33 如何为秒杀系统设计缓存体系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/34 如何为海量计数场景设计缓存体系？.md.html">34 如何为海量计数场景设计缓存体系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/35 如何为社交feed场景设计缓存体系？.md.html">35 如何为社交feed场景设计缓存体系？</a>
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>03 设计缓存架构时需要考量哪些因素？</h1>
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<p>你好，我是你的缓存老师陈波，欢迎进入第 3 课时“缓存的引入及架构设计”。</p>
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<p>至此，缓存原理相关的主要知识点就讲完了，接下来会讲到如何引入缓存并进行设计架构，以及在缓存设计架构中的一些关键考量点。</p>
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<h6>缓存的引入及架构设计</h6>
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<h6>缓存组件选择</h6>
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<p>在设计架构缓存时，你首先要选定缓存组件，比如要用 Local-Cache，还是 Redis、Memcached、Pika 等开源缓存组件，如果业务缓存需求比较特殊，你还要考虑是直接定制开发一个新的缓存组件，还是对开源缓存进行二次开发，来满足业务需要。</p>
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<h6>缓存数据结构设计</h6>
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<p>确定好缓存组件后，你还要根据业务访问的特点，进行缓存数据结构的设计。对于直接简单 KV 读写的业务，你可以将这些业务数据封装为 String、Json、Protocol Buffer 等格式，序列化成字节序列，然后直接写入缓存中。读取时，先从缓存组件获取到数据的字节序列，再进行反序列化操作即可。对于只需要存取部分字段或需要在缓存端进行计算的业务，你可以把数据设计为 Hash、Set、List、Geo 等结构，存储到支持复杂集合数据类型的缓存中，如 Redis、Pika 等。</p>
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<h6>缓存分布设计</h6>
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<p>确定了缓存组件，设计好了缓存数据结构，接下来就要设计缓存的分布。可以从 3 个维度来进行缓存分布设计。</p>
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<ol>
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<li>首先，要选择分布式算法，是采用取模还是一致性 Hash 进行分布。取模分布的方案简单，每个 key 只会存在确定的缓存节点，一致性 Hash 分布的方案相对复杂，一个 key 对应的缓存节点不确定。但一致性 Hash 分布，可以在部分缓存节点异常时，将失效节点的数据访问均衡分散到其他正常存活的节点，从而更好地保证了缓存系统的稳定性。</li>
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<li>其次，分布读写访问如何进行实施，是由缓存 Client 直接进行 Hash 分布定位读写，还是通过 Proxy 代理来进行读写路由？Client 直接读写，读写性能最佳，但需要 Client 感知分布策略。在缓存部署发生在线变化时，也需要及时通知所有缓存 Client，避免读写异常，另外，Client 实现也较复杂。而通过 Proxy 路由，Client 只需直接访问 Proxy，分布逻辑及部署变更都由 Proxy 来处理，对业务应用开发最友好，但业务访问多一跳，访问性能会有一定的损失。</li>
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||
<li>最后，缓存系统运行过程中，如果待缓存的数据量增长过快，会导致大量缓存数据被剔除，缓存命中率会下降，数据访问性能会随之降低，这样就需要将数据从缓存节点进行动态拆分，把部分数据水平迁移到其他缓存节点。这个迁移过程需要考虑，是由 Proxy 进行迁移还是缓存 Server 自身进行迁移，甚至根本就不支持迁移。对于 Memcached，一般不支持迁移，对 Redis，社区版本是依靠缓存 Server 进行迁移，而对 Codis 则是通过 Admin、Proxy 配合后端缓存组件进行迁移。</li>
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</ol>
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<h6>缓存架构部署及运维管理</h6>
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<p>设计完毕缓存的分布策略后，接下来就要考虑缓存的架构部署及运维管理了。架构部署主要考虑如何对缓存进行分池、分层、分 IDC，以及是否需要进行异构处理。</p>
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<ol>
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<li>核心的、高并发访问的不同数据，需要分别分拆到独立的缓存池中，进行分别访问，避免相互影响；访问量较小、非核心的业务数据，则可以混存。</li>
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<li>对海量数据、访问超过 10～100万 级的业务数据，要考虑分层访问，并且要分摊访问量，避免缓存过载。</li>
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||
<li>如果业务系统需要多 IDC 部署甚至异地多活，则需要对缓存体系也进行多 IDC 部署，要考虑如何跨 IDC 对缓存数据进行更新，可以采用直接跨 IDC 读写，也可以采用 DataBus 配合队列机进行不同 IDC 的消息同步，然后由消息处理机进行缓存更新，还可以由各个 IDC 的 DB Trigger 进行缓存更新。</li>
|
||
<li>某些极端场景下，还需要把多种缓存组件进行组合使用，通过缓存异构达到最佳读写性能。</li>
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<li>站在系统层面，要想更好得管理缓存，还要考虑缓存的服务化，考虑缓存体系如何更好得进行集群管理、监控运维等。</li>
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</ol>
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<h6>缓存设计架构的常见考量点</h6>
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<p>在缓存设计架构的过程中，有一些非常重要的考量点，如下图所示，只有分析清楚了这些考量点，才能设计架构出更佳的缓存体系。</p>
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<p><img src="assets/CgotOV2kRs6APtjoAADXrLxuEqI510.png" alt="img" /></p>
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<h6>读写方式</h6>
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<p>首先是 value 的读写方式。是全部整体读写，还是只部分读写及变更？是否需要内部计算？比如，用户粉丝数，很多普通用户的粉丝有几千到几万，而大 V 的粉丝更是高达几千万甚至过亿，因此，获取粉丝列表肯定不能采用整体读写的方式，只能部分获取。另外在判断某用户是否关注了另外一个用户时，也不需要拉取该用户的全部关注列表，直接在关注列表上进行检查判断，然后返回 True/False 或 0/1 的方式更为高效。</p>
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||
<h6>KV size</h6>
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||
<p>然后是不同业务数据缓存 KV 的 size。如果单个业务的 KV size 过大，需要分拆成多个 KV 来缓存。但是，不同缓存数据的 KV size 如果差异过大，也不能缓存在一起，避免缓存效率的低下和相互影响。</p>
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||
<h6>key 的数量</h6>
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||
<p>key 的数量也是一个重要考虑因素。如果 key 数量不大，可以在缓存中存下全量数据，把缓存当 DB 存储来用，如果缓存读取 miss，则表明数据不存在，根本不需要再去 DB 查询。如果数据量巨大，则在缓存中尽可能只保留频繁访问的热数据，对于冷数据直接访问 DB。</p>
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||
<h6>读写峰值</h6>
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||
<p>另外，对缓存数据的读写峰值，如果小于 10万 级别，简单分拆到独立 Cache 池即可。而一旦数据的读写峰值超过 10万 甚至到达 100万 级的QPS，则需要对 Cache 进行分层处理，可以同时使用 Local-Cache 配合远程 cache，甚至远程缓存内部继续分层叠加分池进行处理。微博业务中，大多数核心业务的 Memcached 访问都采用的这种处理方式。</p>
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||
<h6>命中率</h6>
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<p>缓存的命中率对整个服务体系的性能影响甚大。对于核心高并发访问的业务，需要预留足够的容量，确保核心业务缓存维持较高的命中率。比如微博中的 Feed Vector Cache，常年的命中率高达 99.5% 以上。为了持续保持缓存的命中率，缓存体系需要持续监控，及时进行故障处理或故障转移。同时在部分缓存节点异常、命中率下降时，故障转移方案，需要考虑是采用一致性 Hash 分布的访问漂移策略，还是采用数据多层备份策略。</p>
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<h2>过期策略</h2>
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<ul>
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<li>可以设置较短的过期时间，让冷 key 自动过期；</li>
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<li>也可以让 key 带上时间戳，同时设置较长的过期时间，比如很多业务系统内部有这样一些 key：key_20190801。</li>
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</ul>
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<h6>平均缓存穿透加载时间</h6>
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<p>平均缓存穿透加载时间在某些业务场景下也很重要，对于一些缓存穿透后，加载时间特别长或者需要复杂计算的数据，而且访问量还比较大的业务数据，要配置更多容量，维持更高的命中率，从而减少穿透到 DB 的概率，来确保整个系统的访问性能。</p>
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||
<h6>缓存可运维性</h6>
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||
<p>对于缓存的可运维性考虑，则需要考虑缓存体系的集群管理，如何进行一键扩缩容，如何进行缓存组件的升级和变更，如何快速发现并定位问题，如何持续监控报警，最好有一个完善的运维平台，将各种运维工具进行集成。</p>
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||
<h6>缓存安全性</h6>
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<p>对于缓存的安全性考虑，一方面可以限制来源 IP，只允许内网访问，同时对于一些关键性指令，需要增加访问权限，避免被攻击或误操作时，导致重大后果。</p>
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<p>好了，第3课时的内容到这里就全部结束了，我们一起来做一个简单的回顾。首先，我们学习了在系统研发中，如何引入缓存，如何按照4步走对缓存进行设计架构及管理。最后，还熟悉了缓存设计架构中的考量点，这样你在缓存设计架构时对号入座即可。</p>
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</div>
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</div>
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<div>
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<div style="float: left">
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</div>
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<div style="float: right">
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</div>
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</div>
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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