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每秒100W请求,12306秒杀业务,架构如何优化?

同样是高并发场景,三类业务的架构挑战不一样,那么对于秒杀类业务,系统上和业务上分别能如何优化呢,这是本文要讨论的问题。

作者:58沈剑|2019-09-16 09:34

如《同样是高并发,QQ/微博/12306的架构难度一样吗?》一文所述,同样是高并发场景,三类业务的架构挑战不一样:

  • QQ类业务,用户主要读写自己的数据,访问基本带有uid属性,数据访问锁冲突较小
  • 微博类业务,用户的feed主页由别人发布的消息构成,数据读写有一定锁冲突
  • 12306类业务,并发量很高,几乎所有的读写锁冲突都集中在少量数据上,难度最大

那么对于秒杀类业务,系统上和业务上分别能如何优化呢,这是本文要讨论的问题。

系统层面,秒杀业务的优化方向如何?

主要有两项:

(1)将请求尽量拦截在系统上游,而不要让锁冲突落到数据库。

传统秒杀系统之所以挂,是因为请求都压到了后端数据层,数据读写锁冲突严重,并发高响应慢,几乎所有请求都超时,访问流量大,下单成功的有效流量小。

一趟火车2000张票,200w个人同时来买,没有人能买成功,请求有效率为0。

画外音:此时系统的效率,还不如线下售票窗口。

(2)充分利用缓存。

秒杀买票,这是一个典型的读多写少的业务场景:

  • 车次查询,读,量大
  • 余票查询,读,量大
  • 下单和支付,写,量小

一趟火车2000张票,200w个人同时来买,最多2000个人下单成功,其他人都是查询库存,写比例只有0.1%,读比例占99.9%,非常适合使用缓存来优化。

秒杀业务,常见的系统分层架构如何?

秒杀业务,可以使用典型的服务化分层架构:

  • 端(浏览器/APP),最上层,面向用户
  • 站点层,访问后端数据,拼装html/json返回
  • 服务层,屏蔽底层数据细节,提供数据访问
  • 数据层,DB存储库存,当然也有缓存

这四层分别应该如何优化呢?

一、端上的请求拦截(浏览器/APP)

想必春节大家都玩过微信的摇一摇抢红包,用户每摇一次,真的就会往后端发送一次请求么?

回顾抢票的场景,用户点击“查询”按钮之后,系统卡顿,用户着急,会不自觉的再去频繁点击“查询”,不但没用,反而平白无故增加系统负载,平均一个用户点5次,80%的请求是这么多出来的。

JS层面,可以限制用户在x秒之内只能提交一次请求,从而降低系统负载。

画外音:频繁提交,可以友好提示“频率过快”。

APP层面,可以做类似的事情,虽然用户疯狂的在摇微信抢红包,但其实x秒才向后端发起一次请求。

画外音:这就是所谓的“将请求尽量拦截在系统上游”,浏览器/APP层就能拦截80%+的请求。

不过,端上的拦截只能挡住普通用户(99%的用户是普通用户),程序员firebug一抓包,写个for循环直接调用后端http接口,js拦截根本不起作用,这下怎么办?

二、站点层的请求拦截

如何抗住程序员写for循环调用http接口,首先要确定用户的唯一标识,对于频繁访问的用户予以拦截。

用什么来做用户的唯一标识?

ip?cookie-id?别想得太复杂,购票类业务都需要登录,用uid就能标识用户。

在站点层,对同一个uid的请求进行计数和限速,例如:一个uid,5秒只准透过1个请求,这样又能拦住99%的for循环请求。

一个uid,5s只透过一个请求,其余的请求怎么办?

缓存,页面缓存,5秒内到达站点层的其他请求,均返回上次返回的页面。

画外音:车次查询和余票查询都能够这么做,既能保证用户体验(至少没有返回404页面),又能保证系统的健壮性(利用页面缓存,把请求拦截在站点层了)。

OK,通过计数、限速、页面缓存拦住了99%的普通程序员,但仍有些高端程序员,例如黑客,控制了10w个肉鸡,手里有10w个uid,同时发请求,这下怎么办?

三、服务层的请求拦截

并发的请求已经到了服务层,如何进拦截?

服务层非常清楚业务的库存,非常清楚数据库的抗压能力,可以根据这两者进行削峰限速。

例如,业务服务很清楚的知道,一列火车只有2000张车票,此时透传10w个请求去数据库,是没有意义的。

画外音:假如数据库每秒只能抗500个写请求,就只透传500个。

用什么削峰?

请求队列。

对于写请求,做请求队列,每次只透传有限的写请求去数据层(下订单,支付这样的写业务)。

只有2000张火车票,即使10w个请求过来,也只透传2000个去访问数据库:

  • 如果前一批请求均成功,再放下一批
  • 如果前一批请求库存已经不足,则后续请求全部返回“已售罄”

对于读请求,怎么优化?

cache抗,不管是memcached还是redis,单机抗个每秒10w应该都是没什么问题的。

画外音:缓存做水平扩展,很容易线性扩容。

如此削峰限流,只有非常少的写请求,和非常少的读缓存mis的请求会透到数据层去,又有99%的请求被拦住了。

四、数据库层

经过前三层的优化:

  • 浏览器拦截了80%请求
  • 站点层拦截了99%请求,并做了页面缓存
  • 服务层根据业务库存,以及数据库抗压能力,做了写请求队列与数据缓存

你会发现,每次透到数据库层的请求都是可控的。

db基本就没什么压力了,闲庭信步。

画外音:这类业务数据量不大,无需分库,数据库做一个高可用就行。

此时,透2000个到数据库,全部成功,请求有效率100%。

画外音:优化前,10w个请求0个成功,有效性0%。

按照上面的优化方案,其实压力最大的反而是站点层,假设真实有效的请求数是每秒100w,这部分的压力怎么处理?

解决方向有两个:

  • 站点层水平扩展,通过加机器扩容,一台抗5000,200台搞定;
  • 服务降级,抛弃请求,例如抛弃50%;

原则是要保护系统,不能让所有用户都失败。

站点层限速,是个每个uid的请求计数放到redis里么?吞吐量很大情况下,高并发访问redis,网络带宽会不会成为瓶颈?

同一个uid计数与限速,如果担心访问redis带宽成为瓶颈,可以这么优化:

  • 计数直接放在内存,这样就省去了网络请求;
  • 在nginx层做7层均衡,让一个uid的请求落到同一个机器上;

画外音:这个计数对数据一致性、准确性要求不高,即使服务重启计数丢了,大不了重新开始计。

除了系统上的优化,产品与业务还能够做一些折衷,降低架构难度。

  • 业务折衷一:一般来说,下单和支付放在同一个流程里,能够提高转化率。对于秒杀场景,产品上,下单流程和支付流程异步,放在两个环节里,能够降低数据库写压力。以12306为例,下单成功后,系统占住库存,45分钟之内支付即可。
  • 业务折衷二:一般来说,所有用户规则相同,体验会更好。对于秒杀场景,产品上,不同地域分时售票,虽然不是所有用户规则相同,但能够极大降低系统压力。北京9:00开始售票,上海9:30开始售票,广州XX开始售票,能够分担系统压力。
  • 业务折衷三:秒杀场景,由于短时间内并发较大,系统返回较慢,用户心情十分焦急,可能会频繁点击按钮,对系统造成压力。产品上可以优化为,一旦点击,不管系统是否返回,按钮立刻置灰,不给用户机会频繁点击。
  • 业务折衷四:一般来说,显示具体的库存数量,能够加强用户体验。对于秒杀场景,产品上,只显示有/无车票,而不是显示具体票数目,能够降低缓存淘汰率。

画外音:显示库存会淘汰N次,显示有无只会淘汰1次。更多的,用户关注是否有票,而不是票有几张。

无论如何,产品技术运营一起,目标是一致的,把事情做好,不存在谁是甲方,谁是乙方的关系。

总结

对于秒杀系统,除了产品和业务上的折衷,架构设计上主要有两大优化方向:

  • 尽量将请求拦截在系统上游;
  • 读多写少用缓存;

【本文为51CTO专栏作者“58沈剑”原创稿件,转载请联系原作者】

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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