设计千万级学生管理系统的考试试卷存储方案

1. 性能估算

1.1 计算性能

假设每门学科每年 2 次考试，每个学生平均一学期 20 门课，考试采取机考的方式，每门考试的答案 20 判断题、20 选择题、4 道大题。

假设学校的考试都安排在某一个月内，考试的时候请求试卷，提交答案，中间答题过程浏览器本地完成，由于考试集中在上午 4 小时和下午 4 小时，且请求试卷集中在考试开始的前 1 分钟，提交答案集中在考试结束前的 30 分钟，因此估算如下：

• 请求试卷：1000 万 * 20（课）/ 20(周末不考试） / 4（每天 4 堂考试）/ 1 分钟 = 250 万请求/分钟 ≈ 5 万/每秒。

• 提交试卷： 1000 万 * 20（课）/ 20(周末不考试） / 4（每天 4 堂考试）/ 30 分钟 = 1700/每秒。

1.2 存储性能

假设每道选择题和判断题的描述平均 100 字以内，选择题的四个选项平均 10 个字，大题的题目描述平均 200 字以内，一张考试试卷的共有：20 * 100 + 20 * 100 + 20 * 4 * 10 + 4 * 200 = 5600 个字；

如果假设使用 UTF-8 的编码格式，中文字符按 3 个字节来存储，则一张试卷占用的空间为：5600 * 3Byte = 16800 Byte，近似估算为 20KB；

假设 1000 万学生，平均每场考试有 50 人参加，一个学期所有的考试数量为：1000 万 * 20(课) / 50 * 20KB = 80GB;

假设考试试卷在考前一天提前被加载到 redis 中缓存，那么留出两倍余量，Redis 容量要求为：80GB / 20(周末不考试) * 2 = 8GB

1.3 结论

试卷写入的请求量很低，但读取的请求量接近 5 万/每秒，是一个低写入、高读取的存储系统。同时估算的数据量在留出余量之后总共只有 8GB，单机的内存容量能够胜任这个要求，适合使用 Redis Sentinel 的方案。

2. 数据结构设计

数据结构：直接采用 Redis String

Key: 学校 ID + 考试 ID

Value: 试卷内容，使用 JSON 格式存储

3. 读写流程

3.1 写流程

老师在考试系统上编辑好试卷后，发布试卷以及选定考试时间，数据会先记录到 mysql，等到考试前一天，考试系统自动将考试试卷取出，通过学校 ID 和考试 ID 进行编号，存入到 Redis 中。

3.2 读流程

学生登录考试系统之后，在考试前一分钟，考试系统通过学校 ID + 考试 ID 到 Redis 中读取考试试卷的内容，系统将请求到的试卷展示在浏览器中。

4. Redis sentinel 集群预估

4.1 考试场景性能需求汇总

1. 试卷请求 QPS：5 万/s

2. 提交试卷：1700/s

3. 试卷存储容量：8GB

4.2 集群预估

1. 搭建 sentinel 至少需要 3 台服务器，每台服务器都各有一个 redis 实例和 sentinel 实例

2. Redis 主从关系为一主两从

3. Redis 单机的 QPS 在 5-10 万左右，完全满足需求

4. redis 中只需存储考试试卷，需要 8G 内存

综上，需要 3 台 4 核 16G 服务器即可。