试题四（25分）

阅读以下关于数据库设计的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3。

【说明】

某科研所正在构建一套综合科研数据管理平台，该平台需支持科研项目管理、实验数据记录、科研人员信息管理、数据存储与检索、数据分析及结果预测等功能。鉴于科研数据的多样性和处理需求的复杂性，该科研所决定采用混合数据存储架构。张博士建议对科研项目信息、科研人员档案等结构化数据采用MySQL数据库管理，而对于实验过程中的海量非结构化数据（如图像、视频、文本报告）及时间序列数据，则考虑使用Hadoop+HDFS与HBase的组合。李博士则提议，为提升高频访问数据的处理速度，如最新研究成果查询、热门实验数据检索等，应集成Redis作为缓存层。最终，科研所决定采用MySQL+HDFS+HBase+Redis的混合数据存储架构。

（1）合理设置过期时间：避免大量缓存同时失效。

（2）热点数据永不过期：对于访问极其频繁的数据，可以设置永不过期或较长的过期时间。

（3）使用布隆过滤器：在缓存之前先使用布隆过滤器判断数据是否存在，以减少对数据库的无效查询。

（4）限流与降级：在缓存失效时，通过限流措施控制访问频率，并对服务进行降级处理，以减轻系统压力。

本题主要考察Redis作为缓存层时，如何有效管理缓存的失效策略，以防止缓存击穿和缓存雪崩现象。

1. 缓存击穿是指查询的数据在缓存中不存在，导致每次请求都需要去数据库中查询。为了防止这种情况，可以合理设置过期时间，避免大量缓存同时失效。通过分散缓存的失效时间，可以减少同时查询数据库的压力。
2. 对于经常被访问的热点数据，为了确保其快速响应并减少数据库压力，可以设置这些数据的缓存永不过期或者设置一个较长的过期时间。
3. 布隆过滤器是一种空间效率极高的概率数据结构，可以用来测试一个元素是否是集合的成员。在将数据存储到缓存之前，使用布隆过滤器判断数据是否存在，可以避免对数据库进行无效查询。
4. 当缓存失效时，可能会引发大量的请求同时打到数据库上，导致数据库压力增大甚至崩溃，这就是缓存雪崩。此时，可以通过限流措施控制访问频率，避免系统过载。同时，对于关键服务，可以进行降级处理，保证系统的稳定性。