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  第4题      
  知识点：   关系数据库   内存   数据库   系统性能   业务系统

 
【说明】
某初创企业的主营业务是为用户提供高度个性化的商品订购业务，其业务系统支持PC端、手机App等多种访问方式。系统上线后受到用户普遍欢迎，在线用户数和订单数量迅速增长，原有的关系数据库服务器不能满足高速并发的业务要求。
为了减轻数据库服务器的压力，该企业采用了分布式缓存系统，将应用系统经常使用的数据放置在内存，降低对数据库服务器的查询请求，提高了系统性能。在使用缓存系统的过程中，企业碰到了一系列技术问题。
 
问题：4.1   该系统使用过程中，由于同样的数据分别存在于数据库和缓存系统中，必然会造成数据同步或数据不一致性的问题。该企业团队为解决这个问题，提出了如下解决思路：应用程序读数据时，首先读缓存，当该数据不在缓存时,再读取数据库；应用程序写数据吋，先写缓存，成功后再写数据库；或者先写数据库，再写缓存。
王工认为该解决思路并未解决数据同步或数据不一致性的问题，请用100字以内的文字解释其原因。
王工给出了一种可以解决该问题的数据读写步骤如下：
读数据操作的基本步骤：
1.根据key读缓存；
2.读取成功则直接返回；
3.若key不在缓存中时，根据key   (a)   ；
4.读取成功后，   (b)   ；
5.成功返回。
写数据操作的基本步骤：
1.根据key值写   （c)   ；
2.成功后   (d)   ；
3.成功返回。 .
请填写完善上述步骤中（a)~（d)处的空白内容。
 
问题：4.2   缓存系统一般以key/value形式存储数据，在系统运维中发现,部分针对缓存的杳询，未在缓存系统中找到对应的key,从而引发了大量对数据库服务器的查询请求，最严重时甚至导致了数据库服务器的宕机。 经过运维人员的深入分析，发现存在两种情况： (1)用户请求的key值在系统中不存在时，会查询数据库系统，加大了数据库服务器的压力； (2)系统运行期间，发生了黒客攻击，以大量系统不存在的随机key发起了査询请求，从而导致了数据库服务器的宕机。 经过研究，研发团队决定，当在数据库中也未查找到该key时，在缓存系统中为key设置空值，防止对数据库服务器发起重复查询。 请用100字以内文字说明该设置空值方案存在的问题，并给出解决思路。
 
问题：4.3   缓存系统中的key—般会存在有效期，超过有效期则key失效；有时也会根据LRU算法将某些key移出内存。当应用软件查询key时，如key失效或不在内存，会重新读取数据库，并更新缓存中的key。
运维团队发现在某些情况下，若大量的key设置了相同的失效时间，导致缓存在同一时刻众多key同时失效，或者瞬间产生对缓存系统不存在key的大量访问，或者缓存系统重启等原因，都会造成数据库服务器请求瞬时爆量，引起大量缓存更新操作，导致整个系统性能急剧下降，进而造成整个系统崩溃。
请用100字以内文字，给出解决该问题的两种不同思路。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 关系数据库    · 内存    · 数据库    · 系统性能    · 业务系统
 
       关系数据库
               关系模型概述
               关系模型由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。关系模型的数据结构单一，现实世界的实体以及实体间的各种联系均用关系来表示。在用户看来，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。关系模型中常用的关系操作包括选择、投影、连接、除、并、交、差等查询操作，和增加、删除、修改操作两大部分。早期的关系操作能力通常用关系代数和关系演算来表示，关系代数是用对关系的运算来表达查询要求的方式，关系演算是用谓词来表达查询要求的方式。另外还有一种介于关系代数和关系演算之间的语言SQL，它不仅具有丰富的查询功能，而且具有数据定义和数据控制功能，是关系数据库的标准语言。
               关系数据结构及形式化定义
               首先介绍一些概念：
               （1）域（Domain）：域是一组具有相同数据类型的值的集合。
               （2）笛卡尔积（Cartesian Product）：给定一组域D1, D2，…，Dn，这些域中可以有相同的。D1，D2，…，Dn的笛卡尔积为：D1×D2×…×Dn=｛（d1，d2,…，dn） |di∈Di, i=1，2,…，n｝其中每一个元素（d1，d2，…，dn）叫做一个n元组或简称元组。元素中的每一个值di叫做一个分量。笛卡尔积可以用来表示二维表，表中的每行对应一个元组，每列对应一个域。
               （3）关系（Relation）：D1×D2×…×Dn的子集叫做在域D1，D2，…，Dn上的关系，表示为R （D1, D2，…，Dn），这里R表示关系的名字，n是关系的目或度（Degree），关系中的每个元素是关系中的元组。
               关系是笛卡尔积的有限子集，所以关系也是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每列对应一个域。一个元组就是该关系所涉及的属性集的笛卡尔积的一个元素。由于在笛卡尔积的定义中，域是可以相同的，所以为了加以区分，必须对每个列起一个名字，称之为属性，n目关系必须有n个属性。若关系中的某一属性组的值能够唯一标识一个元组，则称该属性组为候选码（Candidate Key）。若一个关系有多个候选码，则选定其中之一为主码（Primary Key）。主码的各个属性称为主属性（Prime Attribute）。不包含在任何候选码中的属性称为非码属性（Non-key Attribute）。当关系模式的所有属性组是这个关系模式的候选码时，称为全码（All-Key）。
               关系的完整性
               （1）实体完整性。
               若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值。也就是说基本关系得所有主属性都不能取空值，而不仅是主码整体不能取空值。
               （2）参照完整性。
               现实世界中的实体之间往往存在某种联系，在关系模型中实体之间的联系用关系描述，这样就会存在着关系间的引用。例如，学生、课程、选课三个关系如下：
               学生（学号，姓名，性别，专业）
               课程（课程号，课程名，教师，学分）
               选课（学号，课程号，成绩）
               它们之间是多对多联系，存在着属性的引用，即选课关系引用了学生关系的主码和课程关系的主码，如画线所示。在选课关系中必须满足：①选课关系中的“学号”值必须是确实存在的学生的学号，即在学生关系中有该学生的记录；②选课关系中“课程号”也必须确实存在，即课程关系中有该课程的记录。也就是说，选课关系中某些属性的取值需要参照其他关系的属性的取值。
               设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码KS相对应，则称F是基本关系R的外码，并称基本关系R为参照关系，基本关系S为被参照关系或目标关系，关系R和S不一定是不同的关系。在上例中，“学号”和“课程号”是选课关系的外码，学生关系和课程关系是被参照关系，选课关系是参照关系。
               参照完整性规则：若属性（或属性组）F是基本关系R的外码，它与基本关系S的主码KS相对应（关系R和S不一定是不同的关系），则对于R中每个元组在F上的值或者取空值或者等于S中某个元组的主码值。
               （3）用户定义的完整性
               用户定义的完整性就是针对某一具体关系数据库的约束条件。例如属性的取值范围、属性间必须满足一定的函数关系等。
 
       内存
        除了CPU，内存也是影响系统性能的最常见的瓶颈之一。看系统内存是否够用的一个重要参考就是分页文件的数目，分页文件是硬盘上的真实文件，当操作系统缺少物理内存时，它就会把内存中的数据挪到分页文件中去，如果单位时间内此类文件使用频繁（每秒个数大于5）,那就应该考虑增加内存。具体考察内存的性能的参数包括内存利用率、物理内存和虚拟内存的大小。
 
       数据库
        数据库（DataBase，DB）是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
        系统使用的所有数据存储在一个或几个数据库中。
 
       系统性能
               系统性能定义和指标
               计算机系统性能指标以系统响应时间和作业吞吐量为代表。响应时间（Elapsed Time）是指用户从输入信息到服务器完成任务给出响应的时间，即计算机系统完成某一任务（程序）所花费的时间，比如存储器访问、输入／输出等待、操作系统开销等。作业吞吐量是整个服务器在单位时间内完成的任务量。假定用户不间断地输入请求，则在系统资源充裕的情况下，单个用户的吞吐量与响应时间成反比，即响应时间越短，吞吐量越大。为了缩短某一用户或服务的响应时间，可以分配给它更多的资源。性能调整就是根据应用要求和服务器具体运行环境和状态，改变各个用户和服务程序所分配的系统资源，充分发挥系统能力，用尽量少的资源满足用户要求，达到为更多用户服务的目的。
               计算机性能的其他常用指标还包括MIPS （Million Instruction Per Second）和MFLOPS（Million Floating-point Instruction Per Second）。
               （1） MIPS=指令数/（执行时间×1000000）。
               其主要特点如下：
               ① MIPS大小和指令集有关，不同指令集的计算机间的MIPS不能比较。
               ②在同一台计算机上MIPS是变化的，因程序不同而变化。
               ③有时MIPS指标会出现矛盾。
               ④主要适用于带有硬件浮点处理器的计算机。
               ⑤MIPS中，除包含运算指令外，还包含取数、存数、转移等指令在内。
               ⑥MIPS只适宜于评估标量机。
               ⑦相对MIPS指相对参照机而言的MIPS，通常用VAX-11/780机处理能力为1MIPS。
               （2）MFLOPS=浮点指令数/（执行时间×1000000）。
               ①与机器和程序有关。
               ②测量浮点运算时，比MIPS准确。
               ③MFLOPS比较适宜于评估向量计算机。
               ④MFLOPS与MIPS关系：1MFLOPS≈3MIPS。
               ⑤MFLOPS仅仅只能用来衡量计算机浮点操作的性能，而不能体现计算机的整体性能。例如编译程序，不管计算机的性能有多好，它的MFLOPS不会太高。
               ⑥MFLOPS是基于操作而非指令的，所以它可以用来比较两种不同的计算机。
               ⑦MFLOPS依赖于操作类型。例如100%的浮点加要远快于100%的浮点除。
               ⑧单个程序的MFLOPS值并不能反映计算机的性能。
               系统性能评估
               计算机性能评价技术可用于开发中和开发后的系统评价。主要包括三种技术：分析技术、模拟技术、测量技术。
                      分析技术
                      分析技术是在一定假设条件下，计算机系统参数与性能指标参数之间存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用数学方法求解。其特点是具有理论的严密性，节约人力和物力，可应用于设计中的系统。它的数学工具主要是利用排队论模型进行分析。
                      模拟技术
                      模拟技术首先是对于被评价系统的运行特性建立系统模型，按系统可能有的工作负载特性建立工作负载模型；随后编写模拟程序，模仿被评价系统的运行；设计模拟实验，依照评价目标，选择与目标有关因素，得出实验值，再进行统计、分析。其特点在于可应用于设计中或实际应用中的系统，可与分析技术相结合，构成一个混合系统。分析和模拟技术最后均需要通过测量技术验证。
                      测量技术
                      测量技术则是对于已投入使用的系统进行测量，通常采用不同层次的基准测试程序评估。其评估层次包括实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次，但必须均为国际性组织认可的程序，同时需要对评估结果进行分析和统计以保证其准确性。
                      常用的国际认可的用来测试机器性能的测试基准测试程序（按评价准确性递减的顺序）：
                      （1）实际的应用程序方法。
                      运行例如C编译程序、Tex、字处理软件、CAD工具等。
                      （2）核心基准程序方法。
                      从实际的程序中抽取少量关键循环程序段，并用它们来评价计算机的性能。
                      （3）简单基准测试程序。
                      简单基准测试程序通常只有10～100行而且运行结果是可以预知的。
                      （4）综合基准测试程序。
                      为了体现平均执行而人为编制的，类似于核心程序，没有任何用户真正运行综合基准测试程序。
 
       业务系统
        该重工集团有自己的管理模型。顶端按照工业4.0，集团管控，包括阿米巴经营模式；相应的流程制度，岗位职责，工作标准，成本绩效。左边是信息化管控，右边是智能化建设，下面是精益管理，底下是企业文化。这样的管理需要用信息化系统去实现。
        在这架构中，ERP系统是基础，利用CRM系统和客户对接，SRM管理供应链，MES监控生产。利用OA把所有业务打通，而后利用专业软件，实现前端的商务智能分析。
        下图的物联网设想把MES系统和机床、物流以及检测设备连起来，做成物联化，把ERP升级到CRM或者SCRM，把供应商和客户打通，形成企业的互联网。
        
        智能工厂物联网体系
        下图是整个业务系统的总体架构图。一个平台、两级部署、三层应用，包括商业分析、移动应用、企业门户和协同管理。
        
        智能工厂业务系统整体架构
        在业务系统这块，先后上线了ERP系统、PLM系统、OA系统和MES系统。上线的这些系统，虽然参与了生产、管理，打通了业务，却没有让领导层参与，反馈报告依然采用Excel、PPT。作为决策者，领导层更应该参与数据的可视化呈现过程。所以，2014年上线了帆软报表系统，提升了数据前端展示，利用某报表软件承担的BOSS系统决策，将领导层纳入管理体系。
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第4题    在手机中做本题