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40分钟学 Go 语言高并发：【实战】分布式缓存系统

article 2025/1/21 18:47:58

【实战课程】分布式缓存系统

一、整体架构设计

首先，让我们通过架构图了解分布式缓存系统的整体设计：
在这里插入图片描述

核心组件

组件名称功能描述技术选型
负载均衡层请求分发、节点选择一致性哈希
缓存节点数据存储、过期处理内存存储 + 持久化
同步机制节点间数据同步Pub/Sub + Gossip
监控系统性能监控、故障检测Prometheus + Grafana

二、核心代码实现

1. 缓存节点实现

package dcache

import (
    "context"
    "encoding/json"
    "sync"
    "time"
)

// CacheItem 缓存项结构
type CacheItem struct {
    Value      interface{} `json:"value"`
    Expiration int64      `json:"expiration"`
    CreatedAt  int64      `json:"created_at"`
    UpdatedAt  int64      `json:"updated_at"`
}

// CacheNode 缓存节点结构
type CacheNode struct {
    nodeID    string
    items     sync.Map
    peers     map[string]*CacheNode
    peerLock  sync.RWMutex
    options   *Options
}

// Options 配置选项
type Options struct {
    DefaultExpiration time.Duration
    CleanupInterval  time.Duration
    MaxItems        int
}

// NewCacheNode 创建新的缓存节点
func NewCacheNode(nodeID string, opts *Options) *CacheNode {
    node := &CacheNode{
        nodeID: nodeID,
        peers:  make(map[string]*CacheNode),
        options: opts,
    }

    // 启动清理过期项的定时任务
    if opts.CleanupInterval > 0 {
        go node.cleanupLoop()
    }

    return node
}

// Set 设置缓存项
func (n *CacheNode) Set(ctx context.Context, key string, value interface{}, expiration time.Duration) error {
    item := &CacheItem{
        Value:      value,
        CreatedAt:  time.Now().UnixNano(),
        UpdatedAt:  time.Now().UnixNano(),
    }

    if expiration == 0 {
        expiration = n.options.DefaultExpiration
    }

    if expiration > 0 {
        item.Expiration = time.Now().Add(expiration).UnixNano()
    }

    n.items.Store(key, item)
    
    // 通知其他节点更新
    n.notifyPeers(ctx, key, item)
    
    return nil
}

// Get 获取缓存项
func (n *CacheNode) Get(ctx context.Context, key string) (interface{}, bool) {
    if value, exists := n.items.Load(key); exists {
        item := value.(*CacheItem)
        if item.Expiration > 0 && item.Expiration < time.Now().UnixNano() {
            n.items.Delete(key)
            return nil, false
        }
        return item.Value, true
    }
    return nil, false
}

// Delete 删除缓存项
func (n *CacheNode) Delete(ctx context.Context, key string) {
    n.items.Delete(key)
    // 通知其他节点删除
    n.notifyPeersDelete(ctx, key)
}

// cleanupLoop 清理过期项的循环
func (n *CacheNode) cleanupLoop() {
    ticker := time.NewTicker(n.options.CleanupInterval)
    defer ticker.Stop()

    for {
        select {
        case <-ticker.C:
            n.cleanup()
        }
    }
}

// cleanup 清理过期项
func (n *CacheNode) cleanup() {
    now := time.Now().UnixNano()
    n.items.Range(func(key, value interface{}) bool {
        item := value.(*CacheItem)
        if item.Expiration > 0 && item.Expiration < now {
            n.items.Delete(key)
        }
        return true
    })
}

// AddPeer 添加对等节点
func (n *CacheNode) AddPeer(peer *CacheNode) {
    n.peerLock.Lock()
    defer n.peerLock.Unlock()
    n.peers[peer.nodeID] = peer
}

// RemovePeer 移除对等节点
func (n *CacheNode) RemovePeer(peerID string) {
    n.peerLock.Lock()
    defer n.peerLock.Unlock()
    delete(n.peers, peerID)
}

// notifyPeers 通知其他节点更新
func (n *CacheNode) notifyPeers(ctx context.Context, key string, item *CacheItem) {
    n.peerLock.RLock()
    defer n.peerLock.RUnlock()
    
    for _, peer := range n.peers {
        go func(p *CacheNode) {
            p.receiveUpdate(ctx, key, item)
        }(peer)
    }
}

// receiveUpdate 接收更新通知
func (n *CacheNode) receiveUpdate(ctx context.Context, key string, item *CacheItem) {
    n.items.Store(key, item)
}

2. 一致性哈希实现

package dcache

import (
    "hash/crc32"
    "sort"
    "sync"
)

type ConsistentHash struct {
    circle       map[uint32]string
    sortedHashes []uint32
    nodes        map[string]bool
    virtualNodes int
    mu           sync.RWMutex
}

func NewConsistentHash(virtualNodes int) *ConsistentHash {
    return &ConsistentHash{
        circle:       make(map[uint32]string),
        nodes:        make(map[string]bool),
        virtualNodes: virtualNodes,
    }
}

// Add 添加节点
func (c *ConsistentHash) Add(node string) {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()

    if _, exists := c.nodes[node]; exists {
        return
    }

    c.nodes[node] = true

    for i := 0; i < c.virtualNodes; i++ {
        hash := c.hashKey(fmt.Sprintf("%s-%d", node, i))
        c.circle[hash] = node
    }

    c.updateSortedHashes()
}

// Remove 移除节点
func (c *ConsistentHash) Remove(node string) {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()

    if _, exists := c.nodes[node]; !exists {
        return
    }

    delete(c.nodes, node)

    for i := 0; i < c.virtualNodes; i++ {
        hash := c.hashKey(fmt.Sprintf("%s-%d", node, i))
        delete(c.circle, hash)
    }

    c.updateSortedHashes()
}

// Get 获取负责的节点
func (c *ConsistentHash) Get(key string) string {
    c.mu.RLock()
    defer c.mu.RUnlock()

    if len(c.circle) == 0 {
        return ""
    }

    hash := c.hashKey(key)
    idx := c.searchForNode(hash)

    return c.circle[c.sortedHashes[idx]]
}

// hashKey 计算哈希值
func (c *ConsistentHash) hashKey(key string) uint32 {
    return crc32.ChecksumIEEE([]byte(key))
}

// updateSortedHashes 更新已排序的哈希值切片
func (c *ConsistentHash) updateSortedHashes() {
    hashes := make([]uint32, 0, len(c.circle))
    for k := range c.circle {
        hashes = append(hashes, k)
    }
    sort.Slice(hashes, func(i, j int) bool {
        return hashes[i] < hashes[j]
    })
    c.sortedHashes = hashes
}

// searchForNode 查找适合的节点
func (c *ConsistentHash) searchForNode(hash uint32) int {
    idx := sort.Search(len(c.sortedHashes), func(i int) bool {
        return c.sortedHashes[i] >= hash
    })

    if idx >= len(c.sortedHashes) {
        idx = 0
    }

    return idx
}

3. 数据同步流程图

在这里插入图片描述

4. 故障恢复实现

package dcache

import (
    "context"
    "sync"
    "time"
)

type FailureDetector struct {
    nodes       map[string]*NodeStatus
    mu          sync.RWMutex
    checkInterval time.Duration
    timeout       time.Duration
}

type NodeStatus struct {
    LastHeartbeat time.Time
    IsAlive       bool
    Address       string
}

func NewFailureDetector(checkInterval, timeout time.Duration) *FailureDetector {
    fd := &FailureDetector{
        nodes:         make(map[string]*NodeStatus),
        checkInterval: checkInterval,
        timeout:       timeout,
    }
    go fd.startDetection()
    return fd
}

// RegisterNode 注册节点
func (fd *FailureDetector) RegisterNode(nodeID, address string) {
    fd.mu.Lock()
    defer fd.mu.Unlock()
    
    fd.nodes[nodeID] = &NodeStatus{
        LastHeartbeat: time.Now(),
        IsAlive:       true,
        Address:       address,
    }
}

// UpdateHeartbeat 更新心跳
func (fd *FailureDetector) UpdateHeartbeat(nodeID string) {
    fd.mu.Lock()
    defer fd.mu.Unlock()
    
    if node, exists := fd.nodes[nodeID]; exists {
        node.LastHeartbeat = time.Now()
        node.IsAlive = true
    }
}

// startDetection 开始故障检测
func (fd *FailureDetector) startDetection() {
    ticker := time.NewTicker(fd.checkInterval)
    defer ticker.Stop()

    for {
        select {
        case <-ticker.C:
            fd.detectFailures()
        }
    }
}

// detectFailures 检测故障
func (fd *FailureDetector) detectFailures() {
    fd.mu.Lock()
    defer fd.mu.Unlock()
    
    now := time.Now()
    for nodeID, status := range fd.nodes {
        if status.IsAlive && now.Sub(status.LastHeartbeat) > fd.timeout {
            status.IsAlive = false
            go fd.handleNodeFailure(nodeID)
        }
    }
}

// handleNodeFailure 处理节点故障
func (fd *FailureDetector) handleNodeFailure(nodeID string) {
    // 1. 通知其他节点
    fd.notifyPeers(nodeID)
    
    // 2. 触发数据重平衡
    fd.rebalanceData(nodeID)
}

// notifyPeers 通知其他节点
func (fd *FailureDetector) notifyPeers(failedNodeID string) {
    fd.mu.RLock()
    defer fd.mu.RUnlock()

    for nodeID, status := range fd.nodes {
        if nodeID != failedNodeID && status.IsAlive {
            go fd.sendFailureNotification(status.Address, failedNodeID)
        }
    }
}

// sendFailureNotification 发送故障通知
func (fd *FailureDetector) sendFailureNotification(address, failedNodeID string) {
    // 实现具体的通知逻辑
    // 可以使用HTTP或gRPC等方式
}

// rebalanceData 重平衡数据
func (fd *FailureDetector) rebalanceData(failedNodeID string) {
    // 1. 确定需要迁移的数据
    // 2. 选择目标节点
    // 3. 执行数据迁移
    fd.mu.RLock()
    defer fd.mu.RUnlock()

    var aliveNodes []string
    for nodeID, status := range fd.nodes {
        if status.IsAlive && nodeID != failedNodeID {
            aliveNodes = append(aliveNodes, nodeID)
        }
    }

    if len(aliveNodes) == 0 {
        return
    }

    // 触发数据迁移
    go fd.migrateData(failedNodeID, aliveNodes)
}

// migrateData 迁移数据
func (fd *FailureDetector) migrateData(failedNodeID string, aliveNodes []string) {
    // 实现数据迁移逻辑
}

// IsNodeAlive 检查节点是否存活
func (fd *FailureDetector) IsNodeAlive(nodeID string) bool {
    fd.mu.RLock()
    defer fd.mu.RUnlock()
    
    if status, exists := fd.nodes[nodeID]; exists {
        return status.IsAlive
    }
    return false
}

// GetAliveNodes 获取所有存活节点
func (fd *FailureDetector) GetAliveNodes() []string {
    fd.mu.RLock()
    defer fd.mu.RUnlock()
    
    var aliveNodes []string
    for nodeID, status := range fd.nodes {
        if status.IsAlive {
            aliveNodes = append(aliveNodes, nodeID)
        }
    }
    return aliveNodes
}

三、缓存同步机制

1. 同步策略比较

策略优点缺点适用场景
同步复制强一致性性能较差对一致性要求高的场景
异步复制性能好最终一致性对性能要求高的场景
半同步复制折中方案实现复杂平衡性能和一致性

2. 数据同步实现

package dcache

import (
    "context"
    "encoding/json"
    "sync"
    "time"
)

type SyncManager struct {
    node         *CacheNode
    syncInterval time.Duration
    syncTimeout  time.Duration
    syncQueue    chan *SyncTask
    wg           sync.WaitGroup
}

type SyncTask struct {
    Key       string
    Value     interface{}
    Operation string // "set" or "delete"
    Timestamp int64
}

func NewSyncManager(node *CacheNode, syncInterval, syncTimeout time.Duration) *SyncManager {
    sm := &SyncManager{
        node:         node,
        syncInterval: syncInterval,
        syncTimeout:  syncTimeout,
        syncQueue:    make(chan *SyncTask, 1000),
    }
    
    go sm.processSyncQueue()
    return sm
}

// AddSyncTask 添加同步任务
func (sm *SyncManager) AddSyncTask(task *SyncTask) {
    select {
    case sm.syncQueue <- task:
        // 成功添加到队列
    default:
        // 队列已满，记录错误日志
    }
}

// processSyncQueue 处理同步队列
func (sm *SyncManager) processSyncQueue() {
    ticker := time.NewTicker(sm.syncInterval)
    defer ticker.Stop()

    var tasks []*SyncTask
    
    for {
        select {
        case task := <-sm.syncQueue:
            tasks = append(tasks, task)
            
            // 批量处理
            if len(tasks) >= 100 {
                sm.processBatch(tasks)
                tasks = tasks[:0]
            }
            
        case <-ticker.C:
            if len(tasks) > 0 {
                sm.processBatch(tasks)
                tasks = tasks[:0]
            }
        }
    }
}

// processBatch 批量处理同步任务
func (sm *SyncManager) processBatch(tasks []*SyncTask) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), sm.syncTimeout)
    defer cancel()

    // 按节点分组任务
    tasksByNode := make(map[string][]*SyncTask)
    for _, task := range tasks {
        // 使用一致性哈希确定目标节点
        node := sm.node.hashRing.Get(task.Key)
        tasksByNode[node] = append(tasksByNode[node], task)
    }

    // 并发同步到各节点
    var wg sync.WaitGroup
    for node, nodeTasks := range tasksByNode {
        wg.Add(1)
        go func(node string, tasks []*SyncTask) {
            defer wg.Done()
            sm.syncToNode(ctx, node, tasks)
        }(node, nodeTasks)
    }
    wg.Wait()
}

// syncToNode 同步到指定节点
func (sm *SyncManager) syncToNode(ctx context.Context, nodeID string, tasks []*SyncTask) {
    // 1. 建立连接
    conn, err := sm.getNodeConnection(nodeID)
    if err != nil {
        return
    }
    
    // 2. 发送同步数据
    for _, task := range tasks {
        switch task.Operation {
        case "set":
            conn.Set(ctx, task.Key, task.Value, 0)
        case "delete":
            conn.Delete(ctx, task.Key)
        }
    }
}

// getNodeConnection 获取节点连接
func (sm *SyncManager) getNodeConnection(nodeID string) (*CacheNode, error) {
    // 实现节点连接池逻辑
    return nil, nil
}

// StartFullSync 启动全量同步
func (sm *SyncManager) StartFullSync() {
    sm.wg.Add(1)
    go func() {
        defer sm.wg.Done()
        sm.fullSync()
    }()
}

// fullSync 全量同步
func (sm *SyncManager) fullSync() {
    // 1. 获取源节点数据快照
    snapshot := sm.node.GetSnapshot()
    
    // 2. 同步到目标节点
    for key, value := range snapshot {
        task := &SyncTask{
            Key:       key,
            Value:     value,
            Operation: "set",
            Timestamp: time.Now().UnixNano(),
        }
        sm.AddSyncTask(task)
    }
}

// WaitForSync 等待同步完成
func (sm *SyncManager) WaitForSync() {
    sm.wg.Wait()
}

四、监控指标

1. 核心监控指标

type Metrics struct {
    // 缓存命中率
    HitCount    int64
    MissCount   int64
    HitRate     float64

    // 容量指标
    ItemCount   int64
    MemoryUsage int64
    
    // 性能指标
    AvgLatency     float64
    P95Latency     float64
    P99Latency     float64
    
    // 同步指标
    SyncQueueSize  int64
    SyncLatency    float64
    SyncErrorCount int64
}

2. 监控指标表

指标类型指标名称说明告警阈值
性能指标avgLatency平均响应延迟>50ms
性能指标p95Latency95分位延迟>100ms
性能指标p99Latency99分位延迟>200ms
命中率hitRate缓存命中率<80%
容量指标memoryUsage内存使用率>80%
同步指标syncQueueSize同步队列大小>1000
同步指标syncLatency同步延迟>1s
错误指标errorCount错误次数>100/min

五、优化建议

1. 性能优化

  1. 使用内存预分配
  2. 采用批量操作
  3. 实现多级缓存
  4. 使用零拷贝技术

2. 可靠性优化

  1. 实现故障自动转移
  2. 添加熔断机制
  3. 实现请求重试
  4. 数据定期备份

3. 监控优化

  1. 实现多维度监控
  2. 添加实时告警
  3. 收集详细日志
  4. 定期压测验证

六、实战建议

  1. 开发阶段：

    • 充分测试各个组件
    • 模拟各种故障场景
    • 进行性能基准测试
    • 编写完善的单元测试

  2. 部署阶段：

    • 合理规划节点部署
    • 配置监控告警
    • 准备回滚方案
    • 进行容量规划

  3. 运维阶段：

    • 定期检查监控指标
    • 及时处理告警信息
    • 定期进行压力测试
    • 制定应急预案

七、实战练习

  1. 基础练习：

    • 实现简单的缓存节点
    • 实现基本的数据同步
    • 添加简单的监控指标

  2. 进阶练习：

    • 实现完整的故障检测
    • 实现数据自动迁移
    • 实现多级缓存策略

  3. 高级练习：

    • 优化同步性能
    • 实现数据压缩
    • 实现缓存预热

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