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程序猿修仙之路--数据结构之设计高性能访客记录系统

2019.03.03 11:55 953浏览

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准备加班中ing…

需求要点

每个用户都有自己的个人空间,当有其他用户来访问的时候,需要添加访客记录,并且更新为最新的访客,这里设计到一个坑,如果存在这个用户的访问记录需要更新用户的最后访问时间。那这个需求在技术维度来说,有什么特点吗?
先想10秒钟,在接着往下看!!!

有什么设计要点呢?

  1. 用户的访客记录一定要缓存,要不然怎么抗住大并发呢?
  2. 由于最新的访客记录变化非常快,要有一种能快速添加新数据,删除老数据的数据结构。

缓存的篇章今日暂且不说,说一下以上的第二点,也就引出了今日数据结构主角:链表

链表百科:链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构,数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表属于线性结构。

链表分类

  1. 单链表:链表中的元素的指向只能指向链表中的下一个元素或者为空,元素之间不能相互指向。也就是一种线性链表。
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 public class Node<T>
    {
        //当前节点的数据元素
        public T Data { get; set; }
        //当前节点的下一个元素
        public Node<T> NextNode { get; set; }
    }
  1. 双向链表:每个链表元素既有指向下一个元素的指针,又有指向前一个元素的指针,其中每个结点都有两种指针。
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 public class Node<T>
    {
        //当前节点的前一个节点
        public Node<T> PreNode { get; set; }
        //当前节点的数据元素
        public T Data { get; set; }
        //当前节点的下一个元素
        public Node<T> NextNode { get; set; }
    }
  1. 循环链表:指的是在单向链表和双向链表的基础上,将两种链表的最后一个结点指向第一个结点从而实现循环。
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特性

  1. 元素的数量可以随时扩充。由于链表在物理的存储单元上是非连续的,这就早就了它天生的优势,我的节点可以在任意符合要求的地方分配内存。
  2. 添加元素:
    单链表:当在一个位置N之后插入新元素的时候,单链表首先把当前位置N的元素的Next指针指向新的元素,然后新的元素的Next指针指向N+1位置的元素。当然如果是在首位置插入新元素,只需要把新元素的Next指针指向链表的首元素即可,同理,如果要在单链表尾部插入新元素,只需要把单链表的尾部元素的Next指针指向新元素。至于循环单链表,无所谓首元素和尾元素之分。
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    双向链表:
    在位置N之后添加新元素和单链表原理类似,原理也是修改元素的指针指向。但是这里有一个不同,双向链表要修改前后元素(N位置和N+1位置)和新元素三个Node的指针,所以略微麻烦一点。
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  3. 删除元素:
    单链表:当要删除位置N的元素的时候,只需要把N-1位置元素的Next指针指向N+1即可。
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    双向链表:当要删除位置N的元素的时候,需要修改N-1位置元素的Next指针指向N+1元素,同时还要修改N+1位置元素的Pre指针指向N-1元素。
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  4. 查找元素:
    由于链表的元素在内存中并非连续,所以不能像数组那样拥有O(1)的查找时间复杂度,只能是通过首元素去遍历链表,所以时间复杂度为O(n)

程序设计

给你10秒回到X总的需求中来。通过对链表的介绍,我们该选择哪种链表呢?这里我先说一下我的思路,如有错误请指正:

  1. 当一个访客进入个人空间的首页时,大多数情况下,访客记录只需要缓存前100条或者200条即可,也就是说这个场景是存在热点数据的,80%(甚至更高)的请求命中在最近100条访客数据上,很少人会去查看很久以前的记录。所以基于占用内存空间上的考虑,我决定缓存最近的100条访客数据。
  2. 假设我用链表缓存了前100条数据,其中在非首位置有一条访客A的记录,此时A又访问的这个用户空间,我需要把A的记录移到首位置,这个过程经历了删除A数据,在首位置添加A数据。假如A开始的位置是N,我在删除N位置数据的时候,需要查找N-1的位置元素修改其指针指向,如果是单链表由于当前位置N的元素中没有N-1位置元素的信息,所有需要重新遍历链表。如果是双向链表呢,位置N的元素中保存了位置N-1的元素,所以没有必要在重新遍历链表了,这也是双向链表对比单链表的优势,虽然内存占用上多了一个指针的内存大小,但是在实际的应用场景中更为常用。所以我选择双向链表。删除操作和添加操作时间复杂度都是O(1).
  3. 对同一个空间的访问,必然存在锁和多线程的问题。所以我在选择框架的时候优先选择了基于Actor模型的框架。避免了在同一个用户空间上加锁的操作。
  4. 由于基于Actor模型的框架,所以我没有采用类似Redis这样的进程外缓存,而是采用了进程内缓存,毕竟网络传输的速度再快也比内存操作要慢的多。应用层的Actor服务天然支持分布式。如果对actor 不太了解的同学可以度娘一下。

优化

  1. 阅读到这里你是否感觉哪里有问题呢?是的,就是链表元素的查找,由于只能是遍历,所有链表查找元素的时间复杂度为O(n),那有没有办法优化呢?那就是我们以后要讲的另外一种数据结构了。
  2. 空间的访客记录是以时间为维度的倒序排列,所以业务以及DB时间列的设计类型推荐为UTC时间戳long类型,毕竟long类型在多数语言中比datetime类型占用内存要小很多。
  3. 无论是否使用缓存,用户的访问记录都是需要DB来持久化的,当有大量的请求的时候,我们可以利用某种机制来批量持久化到DB,而不是一个请求就访问数据库一次。
  4. 当对空间的访客记录实时性要求不是很高的时候,我们可以每10秒或者5秒更新缓存,也就是批量更新缓存,这比单条加锁更新缓存效果更好。

X总的个人空间需求并没有结束,菜菜仍然在持续优化中,欢迎大佬指正!

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