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前言
秒殺大家都不陌生。自2011年首次出現(xiàn)以來，無論是雙十一購物還是 12306 搶票，秒殺場景已隨處可見。簡單來說，秒殺就是在同一時(shí)刻大量請求爭搶購買同一商品并完成交易的過程。從架構(gòu)視角來看，秒殺系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)高性能、高一致、高可用的三高系統(tǒng)。而打造并維護(hù)一個(gè)超大流量的秒殺系統(tǒng)需要進(jìn)行哪些關(guān)注，就是本文討論的話題。
整體思考
首先從高維度出發(fā)，整體思考問題。秒殺無外乎解決兩個(gè)核心問題，一是并發(fā)讀，一是并發(fā)寫，對應(yīng)到架構(gòu)設(shè)計(jì)，就是高可用、一致性和高性能的要求。關(guān)于秒殺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思考，本文即基于此 3 層依次推進(jìn)，簡述如下：
- 高性能。 秒殺涉及高讀和高寫的支持，如何支撐高并發(fā)，如何抵抗高IOPS?核心優(yōu)化理念其實(shí)是類似的：高讀就盡量"少讀"或"讀少"，高寫就數(shù)據(jù)拆分。本文將從動(dòng)靜分離、熱點(diǎn)優(yōu)化以及服務(wù)端性能優(yōu)化 3 個(gè)方面展開。
- 一致性。 秒殺的核心關(guān)注是商品庫存，有限的商品在同一時(shí)間被多個(gè)請求同時(shí)扣減，而且要保證準(zhǔn)確性，顯而易見是一個(gè)難題。如何做到既不多又不少?本文將從業(yè)界通用的幾種減庫存方案切入，討論一致性設(shè)計(jì)的核心邏輯。
- 高可用。 大型分布式系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中面對的工況是非常復(fù)雜的，業(yè)務(wù)流量的突增、依賴服務(wù)的不穩(wěn)定、應(yīng)用自身的瓶頸、物理資源的損壞等方方面面都會(huì)對系統(tǒng)的運(yùn)行帶來大大小小的的沖擊。如何保障應(yīng)用在復(fù)雜工況環(huán)境下還能高效穩(wěn)定運(yùn)行，如何預(yù)防和面對突發(fā)問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從哪些方面著手?本文將從架構(gòu)落地的全景視角進(jìn)行關(guān)注思考。
高性能
1 動(dòng)靜分離
大家可能會(huì)注意到，秒殺過程中你是不需要刷新整個(gè)頁面的，只有時(shí)間在不停跳動(dòng)。這是因?yàn)橐话愣紩?huì)對大流量的秒殺系統(tǒng)做系統(tǒng)的靜態(tài)化改造，即數(shù)據(jù)意義上的動(dòng)靜分離。動(dòng)靜分離三步走：
- 數(shù)據(jù)拆分;
- 靜態(tài)緩存;
- 數(shù)據(jù)整合。
1.1 數(shù)據(jù)拆分
動(dòng)靜分離的首要目的是將動(dòng)態(tài)頁面改造成適合緩存的靜態(tài)頁面。因此第一步就是分離出動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，主要從以下 2 個(gè)方面進(jìn)行：
- 用戶。用戶身份信息包括登錄狀態(tài)以及登錄畫像等，相關(guān)要素可以單獨(dú)拆分出來，通過動(dòng)態(tài)請求進(jìn)行獲取;與之相關(guān)的廣平推薦，如用戶偏好、地域偏好等，同樣可以通過異步方式進(jìn)行加載
- 時(shí)間。秒殺時(shí)間是由服務(wù)端統(tǒng)一管控的，可以通過動(dòng)態(tài)請求進(jìn)行獲取
這里你可以打開電商平臺(tái)的一個(gè)秒殺頁面，看看這個(gè)頁面里都有哪些動(dòng)靜數(shù)據(jù)。
1.2 靜態(tài)緩存
分離出動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)之后，第二步就是將靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的緩存，由此衍生出兩個(gè)問題：
- 怎么緩存;
- 哪里緩存
1.2.1 怎么緩存
靜態(tài)化改造的一個(gè)特點(diǎn)是直接緩存整個(gè) HTTP 連接而不是僅僅緩存靜態(tài)數(shù)據(jù)，如此一來，Web 代理服務(wù)器根據(jù)請求 URL，可以直接取出對應(yīng)的響應(yīng)體然后直接返回，響應(yīng)過程無需重組 HTTP 協(xié)議，也無需解析 HTTP 請求頭。而作為緩存鍵，URL唯一化是必不可少的，只是對于商品系統(tǒng)，URL 天然是可以基于商品 ID 來進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)的，比如淘寶的 https://item.taobao.com/item....。
1.2.2 哪里緩存
靜態(tài)數(shù)據(jù)緩存到哪里呢?可以有三種方式：
- 瀏覽器;
- CDN ;
- 服務(wù)端。
瀏覽器當(dāng)然是第一選擇，但用戶的瀏覽器是不可控的，主要體現(xiàn)在如果用戶不主動(dòng)刷新，系統(tǒng)很難主動(dòng)地把消息推送給用戶(注意，當(dāng)討論靜態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，潛臺(tái)詞是 “相對不變”，言外之意是 “可能會(huì)變”)，如此可能會(huì)導(dǎo)致用戶端在很長一段時(shí)間內(nèi)看到的信息都是錯(cuò)誤的。對于秒殺系統(tǒng)，保證緩存可以在秒級時(shí)間內(nèi)失效是不可或缺的。
服務(wù)端主要進(jìn)行動(dòng)態(tài)邏輯計(jì)算及加載，本身并不擅長處理大量連接，每個(gè)連接消耗內(nèi)存較多，同時(shí) Servlet 容器解析 HTTP 較慢，容易侵占邏輯計(jì)算資源;另外，靜態(tài)數(shù)據(jù)下沉至此也會(huì)拉長請求路徑。
因此通常將靜態(tài)數(shù)據(jù)緩存在 CDN，其本身更擅長處理大并發(fā)的靜態(tài)文件請求，既可以做到主動(dòng)失效，又離用戶盡可能近，同時(shí)規(guī)避 Java 語言層面的弱點(diǎn)。需要注意的是，上 CDN 有以下幾個(gè)問題需要解決：
- 失效問題。任何一個(gè)緩存都應(yīng)該是有時(shí)效的，尤其對于一個(gè)秒殺場景。所以，系統(tǒng)需要保證全國各地的 CDN 在秒級時(shí)間內(nèi)失效掉緩存信息，這實(shí)際對 CDN 的失效系統(tǒng)要求是很高的
- 命中率問題。高命中是緩存系統(tǒng)最為核心的性能要求，不然緩存就失去了意義。如果將數(shù)據(jù)放到全國各地的 CDN ，勢必會(huì)導(dǎo)致請求命中同一個(gè)緩存的可能性降低，那么命中率就成為一個(gè)問題
因此，將數(shù)據(jù)放到全國所有的 CDN 節(jié)點(diǎn)是不太現(xiàn)實(shí)的，失效問題、命中率問題都會(huì)面臨比較大的挑戰(zhàn)。更為可行的做法是選擇若干 CDN 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)化改造，節(jié)點(diǎn)的選取通常需要滿足以下幾個(gè)條件：
- 臨近訪問量集中的地區(qū)
- 距離主站較遠(yuǎn)的地區(qū)
- 節(jié)點(diǎn)與主站間網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良好的地區(qū)
基于以上因素，選擇 CDN 的二級緩存比較合適，因?yàn)槎壘彺鏀?shù)量偏少，容量也更大，訪問量相對集中，這樣就可以較好解決緩存的失效問題以及命中率問題，是當(dāng)前比較理想的一種 CDN 化方案。部署方式如下圖所示：
1.3 數(shù)據(jù)整合
分離出動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)之后，前端如何組織數(shù)據(jù)頁就是一個(gè)新的問題，主要在于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的加載處理，通常有兩種方案：ESI(Edge Side Includes)方案和 CSI(Client Side Include)方案。
- ESI 方案：Web 代理服務(wù)器上請求動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)插入到靜態(tài)頁面中，用戶看到頁面時(shí)已經(jīng)是一個(gè)完整的頁面。這種方式對服務(wù)端性能要求高，但用戶體驗(yàn)較好
- CSI 方案：Web 代理服務(wù)器上只返回靜態(tài)頁面，前端單獨(dú)發(fā)起一個(gè)異步 JS 請求動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。這種方式對服務(wù)端性能友好，但用戶體驗(yàn)稍差
1.4 小結(jié)
動(dòng)靜分離對于性能的提升，抽象起來只有兩點(diǎn)，一是數(shù)據(jù)要盡量少，以便減少?zèng)]必要的請求，二是路徑要盡量短，以便提高單次請求的效率。具體方法其實(shí)就是基于這個(gè)大方向進(jìn)行的。
2 熱點(diǎn)優(yōu)化
熱點(diǎn)分為熱點(diǎn)操作和熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，以下分開進(jìn)行討論。
2.1 熱點(diǎn)操作
零點(diǎn)刷新、零點(diǎn)下單、零點(diǎn)添加購物車等都屬于熱點(diǎn)操作。熱點(diǎn)操作是用戶的行為，不好改變，但可以做一些限制保護(hù)，比如用戶頻繁刷新頁面時(shí)進(jìn)行提示阻斷。
2.2 熱點(diǎn)數(shù)據(jù)
熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理三步走，一是熱點(diǎn)識(shí)別，二是熱點(diǎn)隔離，三是熱點(diǎn)優(yōu)化。
2.2.1 熱點(diǎn)識(shí)別
熱點(diǎn)數(shù)據(jù)分為靜態(tài)熱點(diǎn)和動(dòng)態(tài)熱點(diǎn)，具體如下：
- 靜態(tài)熱點(diǎn)：能夠提前預(yù)測的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。大促前夕，可以根據(jù)大促的行業(yè)特點(diǎn)、活動(dòng)商家等緯度信息分析出熱點(diǎn)商品，或者通過賣家報(bào)名的方式提前篩選;另外，還可以通過技術(shù)手段提前預(yù)測，例如對買家每天訪問的商品進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算，然后統(tǒng)計(jì)出 TOP N 的商品，即可視為熱點(diǎn)商品
- 動(dòng)態(tài)熱點(diǎn)：無法提前預(yù)測的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。冷熱數(shù)據(jù)往往是隨實(shí)際業(yè)務(wù)場景發(fā)生交替變化的，尤其是如今直播賣貨模式的興起——帶貨商臨時(shí)做一個(gè)廣告，就有可能導(dǎo)致一件商品在短時(shí)間內(nèi)被大量購買。由于此類商品日常訪問較少，即使在緩存系統(tǒng)中一段時(shí)間后也會(huì)被逐出或過期掉，甚至在db中也是冷數(shù)據(jù)。瞬時(shí)流量的涌入，往往導(dǎo)致緩存被擊穿，請求直接到達(dá)DB，引發(fā)DB壓力過大
因此秒殺系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)能力，一個(gè)常見的實(shí)現(xiàn)思路是：
- 異步采集交易鏈路各個(gè)環(huán)節(jié)的熱點(diǎn) Key 信息，如 Nginx采集訪問URL或 Agent 采集熱點(diǎn)日志(一些中間件本身已具備熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)能力)，提前識(shí)別潛在的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)
- 聚合分析熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，達(dá)到一定規(guī)則的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過訂閱分發(fā)推送到鏈路系統(tǒng)，各系統(tǒng)根據(jù)自身需求決定如何處理熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，或限流或緩存，從而實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)保護(hù)
需要注意的是：
- 熱點(diǎn)數(shù)據(jù)采集最好采用異步方式，一方面不會(huì)影響業(yè)務(wù)的核心交易鏈路，一方面可以保證采集方式的通用性
- 熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)最好做到秒級實(shí)時(shí)，這樣動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)才有意義，實(shí)際上也是對核心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和分析能力提出了較高的要求
2.2.2 熱點(diǎn)隔離
熱點(diǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別出來之后，第一原則就是將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)隔離出來，不要讓 1% 影響到另外的 99%，可以基于以下幾個(gè)層次實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)隔離：
- 業(yè)務(wù)隔離。秒殺作為一種營銷活動(dòng)，賣家需要單獨(dú)報(bào)名，從技術(shù)上來說，系統(tǒng)可以提前對已知熱點(diǎn)做緩存預(yù)熱
- 系統(tǒng)隔離。系統(tǒng)隔離是運(yùn)行時(shí)隔離，通過分組部署和另外 99% 進(jìn)行分離，另外秒殺也可以申請單獨(dú)的域名，入口層就讓請求落到不同的集群中
- 數(shù)據(jù)隔離。秒殺數(shù)據(jù)作為熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以啟用單獨(dú)的緩存集群或者DB服務(wù)組，從而更好的實(shí)現(xiàn)橫向或縱向能力擴(kuò)展
當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)隔離還有很多種辦法。比如，可以按照用戶來區(qū)分，為不同的用戶分配不同的 Cookie，入口層路由到不同的服務(wù)接口中;再比如，域名保持一致，但后端調(diào)用不同的服務(wù)接口;又或者在數(shù)據(jù)層給數(shù)據(jù)打標(biāo)進(jìn)行區(qū)分等等，這些措施的目的都是把已經(jīng)識(shí)別的熱點(diǎn)請求和普通請求區(qū)分開來。
2.2.3 熱點(diǎn)優(yōu)化
熱點(diǎn)數(shù)據(jù)隔離之后，也就方便對這 1% 的請求做針對性的優(yōu)化，方式無外乎兩種：
- 緩存：熱點(diǎn)緩存是最為有效的辦法。如果熱點(diǎn)數(shù)據(jù)做了動(dòng)靜分離，那么可以長期緩存靜態(tài)數(shù)據(jù)
- 限流：流量限制更多是一種保護(hù)機(jī)制。需要注意的是，各服務(wù)要時(shí)刻關(guān)注請求是否觸發(fā)限流并及時(shí)進(jìn)行review
2.2.4 小結(jié)
數(shù)據(jù)的熱點(diǎn)優(yōu)化與動(dòng)靜分離是不一樣的，熱點(diǎn)優(yōu)化是基于二八原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行了縱向拆分，以便進(jìn)行針對性地處理。熱點(diǎn)識(shí)別和隔離不僅對“秒殺”這個(gè)場景有意義，對其他的高性能分布式系統(tǒng)也非常有參考價(jià)值。
3 系統(tǒng)優(yōu)化
對于一個(gè)軟件系統(tǒng)，提高性能可以有很多種手段，如提升硬件水平、調(diào)優(yōu)JVM 性能，這里主要關(guān)注代碼層面的性能優(yōu)化——
- 減少序列化：減少 Java 中的序列化操作可以很好的提升系統(tǒng)性能。序列化大部分是在 RPC 階段發(fā)生，因此應(yīng)該盡量減少 RPC 調(diào)用，一種可行的方案是將多個(gè)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的應(yīng)用進(jìn)行 “合并部署”，從而減少不同應(yīng)用之間的 RPC 調(diào)用(微服務(wù)設(shè)計(jì)規(guī)范)
- 直接輸出流數(shù)據(jù)：只要涉及字符串的I/O操作，無論是磁盤 I/O 還是網(wǎng)絡(luò) I/O，都比較耗費(fèi) CPU 資源，因?yàn)樽址枰D(zhuǎn)換成字節(jié)，而這個(gè)轉(zhuǎn)換又必須查表編碼。所以對于常用數(shù)據(jù)，比如靜態(tài)字符串，推薦提前編碼成字節(jié)并緩存，具體到代碼層面就是通過 OutputStream() 類函數(shù)從而減少數(shù)據(jù)的編碼轉(zhuǎn)換;另外，熱點(diǎn)方法toString()不要直接調(diào)用ReflectionToString實(shí)現(xiàn)，推薦直接硬編碼，并且只打印DO的基礎(chǔ)要素和核心要素
- 裁剪日志異常堆棧：無論是外部系統(tǒng)異常還是應(yīng)用本身異常，都會(huì)有堆棧打出，超大流量下，頻繁的輸出完整堆棧，只會(huì)加劇系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)載。可以通過日志配置文件控制異常堆棧輸出的深度
- 去組件框架：極致優(yōu)化要求下，可以去掉一些組件框架，比如去掉傳統(tǒng)的 MVC 框架，直接使用 Servlet 處理請求。這樣可以繞過一大堆復(fù)雜且用處不大的處理邏輯，節(jié)省毫秒級的時(shí)間，當(dāng)然，需要合理評估你對框架的依賴程度
4 總結(jié)一下
性能優(yōu)化需要一個(gè)基準(zhǔn)值，所以系統(tǒng)還需要做好應(yīng)用基線，比如性能基線(何時(shí)性能突然下降)、成本基線(去年大促用了多少機(jī)器)、鏈路基線(核心流程發(fā)生了哪些變化)，通過基線持續(xù)關(guān)注系統(tǒng)性能，促使系統(tǒng)在代碼層面持續(xù)提升編碼質(zhì)量、業(yè)務(wù)層面及時(shí)下掉不合理調(diào)用、架構(gòu)層面不斷優(yōu)化改進(jìn)。
一致性
秒殺系統(tǒng)中，庫存是個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，賣不出去是個(gè)問題，超賣更是個(gè)問題。秒殺場景下的一致性問題，主要就是庫存扣減的準(zhǔn)確性問題。
1 減庫存的方式
電商場景下的購買過程一般分為兩步：下單和付款?！疤峤挥唵巍奔礊橄聠?，“支付訂單”即為付款。基于此設(shè)定，減庫存一般有以下幾個(gè)方式：
- 下單減庫存。買家下單后，扣減商品庫存。下單減庫存是最簡單的減庫存方式，也是控制最為精確的一種
- 付款減庫存。買家下單后，并不立即扣減庫存，而是等到付款后才真正扣減庫存。但因?yàn)楦犊顣r(shí)才減庫存，如果并發(fā)比較高，可能出現(xiàn)買家下單后付不了款的情況，因?yàn)樯唐芬呀?jīng)被其他人買走了
- 預(yù)扣庫存。這種方式相對復(fù)雜一些，買家下單后，庫存為其保留一定的時(shí)間(如 15 分鐘)，超過這段時(shí)間，庫存自動(dòng)釋放，釋放后其他買家可以購買
能夠看到，減庫存方式是基于購物過程的多階段進(jìn)行劃分的，但無論是在下單階段還是付款階段，都會(huì)存在一些問題，下面進(jìn)行具體分析。
2 減庫存的問題
2.1 下單減庫存
優(yōu)勢：用戶體驗(yàn)最好。下單減庫存是最簡單的減庫存方式，也是控制最精確的一種。下單時(shí)可以直接通過數(shù)據(jù)庫事務(wù)機(jī)制控制商品庫存，所以一定不會(huì)出現(xiàn)已下單卻付不了款的情況。
劣勢：可能賣不出去。正常情況下，買家下單后付款概率很高，所以不會(huì)有太大問題。但有一種場景例外，就是當(dāng)賣家參加某個(gè)促銷活動(dòng)時(shí)，競爭對手通過惡意下單的方式將該商品全部下單，導(dǎo)致庫存清零，那么這就不能正常售賣了——要知道，惡意下單的人是不會(huì)真正付款的，這正是 “下單減庫存” 的不足之處。
2.2 付款減庫存
- 優(yōu)勢：一定實(shí)際售賣。“下單減庫存” 可能導(dǎo)致惡意下單，從而影響賣家的商品銷售， “付款減庫存” 由于需要付出真金白銀，可以有效避免。
- 劣勢：用戶體驗(yàn)較差。用戶下單后，不一定會(huì)實(shí)際付款，假設(shè)有 100 件商品，就可能出現(xiàn) 200 人下單成功的情況，因?yàn)橄聠螘r(shí)不會(huì)減庫存，所以也就可能出現(xiàn)下單成功數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過真正庫存數(shù)的情況，這尤其會(huì)發(fā)生在大促的熱門商品上。如此一來就會(huì)導(dǎo)致很多買家下單成功后卻付不了款，購物體驗(yàn)自然是比較差的。
2.3 預(yù)扣庫存
- 優(yōu)勢：緩解了以上兩種方式的問題。預(yù)扣庫存實(shí)際就是“下單減庫存”和 “付款減庫存”兩種方式的結(jié)合，將兩次操作進(jìn)行了前后關(guān)聯(lián)，下單時(shí)預(yù)扣庫存，付款時(shí)釋放庫存。
- 劣勢：并沒有徹底解決以上問題。比如針對惡意下單的場景，雖然可以把有效付款時(shí)間設(shè)置為 10 分鐘，但惡意買家完全可以在 10 分鐘之后再次下單。
2.4 小結(jié)
減庫存的問題主要體現(xiàn)在用戶體驗(yàn)和商業(yè)訴求兩方面，其本質(zhì)原因在于購物過程存在兩步甚至多步操作，在不同階段減庫存，容易存在被惡意利用的漏洞。
3 實(shí)際如何減庫存
業(yè)界最為常見的是預(yù)扣庫存。無論是外賣點(diǎn)餐還是電商購物，下單后一般都有個(gè) “有效付款時(shí)間”，超過該時(shí)間訂單自動(dòng)釋放，這就是典型的預(yù)扣庫存方案。但如上所述，預(yù)扣庫存還需要解決惡意下單的問題，保證商品賣的出去;另一方面，如何避免超賣，也是一個(gè)痛點(diǎn)。
- 賣的出去：惡意下單的解決方案主要還是結(jié)合安全和反作弊措施來制止。比如，識(shí)別頻繁下單不付款的買家并進(jìn)行打標(biāo)，這樣可以在打標(biāo)買家下單時(shí)不減庫存;再比如為大促商品設(shè)置單人最大購買件數(shù)，一人最多只能買 N 件商品;又或者對重復(fù)下單不付款的行為進(jìn)行次數(shù)限制阻斷等
- 避免超賣：庫存超賣的情況實(shí)際分為兩種。對于普通商品，秒殺只是一種大促手段，即使庫存超賣，商家也可以通過補(bǔ)貨來解決;而對于一些商品，秒殺作為一種營銷手段，完全不允許庫存為負(fù)，也就是在數(shù)據(jù)一致性上，需要保證大并發(fā)請求時(shí)數(shù)據(jù)庫中的庫存字段值不能為負(fù)，一般有多種方案：一是在通過事務(wù)來判斷，即保證減后庫存不能為負(fù)，否則就回滾;二是直接設(shè)置數(shù)據(jù)庫字段類型為無符號整數(shù)，這樣一旦庫存為負(fù)就會(huì)在執(zhí)行 SQL 時(shí)報(bào)錯(cuò);三是使用 CASE WHEN 判斷語句——
- UPDATE item SET inventory = CASE WHEN inventory >= xxx THEN inventory-xxx ELSE inventory END
業(yè)務(wù)手段保證商品賣的出去，技術(shù)手段保證商品不會(huì)超賣，庫存問題從來就不是簡單的技術(shù)難題，解決問題的視角是多種多樣的。
4 一致性性能的優(yōu)化
庫存是個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，更是個(gè)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。對系統(tǒng)來說，熱點(diǎn)的實(shí)際影響就是 “高讀” 和 “高寫”，也是秒殺場景下最為核心的一個(gè)技術(shù)難題。
4.1 高并發(fā)讀
秒殺場景解決高并發(fā)讀問題，關(guān)鍵詞是“分層校驗(yàn)”。即在讀鏈路時(shí)，只進(jìn)行不影響性能的檢查操作，如用戶是否具有秒殺資格、商品狀態(tài)是否正常、用戶答題是否正確、秒殺是否已經(jīng)結(jié)束、是否非法請求等，而不做一致性校驗(yàn)等容易引發(fā)瓶頸的檢查操作;直到寫鏈路時(shí)，才對庫存做一致性檢查，在數(shù)據(jù)層保證最終準(zhǔn)確性。
因此，在分層校驗(yàn)設(shè)定下，系統(tǒng)可以采用分布式緩存甚至LocalCache來抵抗高并發(fā)讀。即允許讀場景下一定的臟數(shù)據(jù)，這樣只會(huì)導(dǎo)致少量原本無庫存的下單請求被誤認(rèn)為是有庫存的，等到真正寫數(shù)據(jù)時(shí)再保證最終一致性，由此做到高可用和一致性之間的平衡。
實(shí)際上，分層校驗(yàn)的核心思想是：不同層次盡可能過濾掉無效請求，只在“漏斗” 最末端進(jìn)行有效處理，從而縮短系統(tǒng)瓶頸的影響路徑。
4.2 高并發(fā)寫
高并發(fā)寫的優(yōu)化方式，一種是更換DB選型，一種是優(yōu)化DB性能，以下分別進(jìn)行討論。
4.2.1 更換DB選型
秒殺商品和普通商品的減庫存是有差異的，核心區(qū)別在數(shù)據(jù)量級小、交易時(shí)間短，因此能否把秒殺減庫存直接放到緩存系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)呢，也就是直接在一個(gè)帶有持久化功能的緩存中進(jìn)行減庫存操作，比如 Redis?
如果減庫存邏輯非常單一的話，比如沒有復(fù)雜的 SKU 庫存和總庫存這種聯(lián)動(dòng)關(guān)系的話，個(gè)人認(rèn)為是完全可以的。但如果有比較復(fù)雜的減庫存邏輯，或者需要使用到事務(wù)，那就必須在數(shù)據(jù)庫中完成減庫存操作。
4.2.2 優(yōu)化DB性能
庫存數(shù)據(jù)落地到數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)其實(shí)是一行存儲(chǔ)(MySQL)，因此會(huì)有大量線程來競爭 InnoDB 行鎖。但并發(fā)越高，等待線程就會(huì)越多，TPS 下降，RT 上升，吞吐量會(huì)受到嚴(yán)重影響——注意，這里假設(shè)數(shù)據(jù)庫已基于上文【性能優(yōu)化】完成數(shù)據(jù)隔離，以便于討論聚焦 。
解決并發(fā)鎖的問題，有兩種辦法：
- 應(yīng)用層排隊(duì)。通過緩存加入集群分布式鎖，從而控制集群對數(shù)據(jù)庫同一行記錄進(jìn)行操作的并發(fā)度，同時(shí)也能控制單個(gè)商品占用數(shù)據(jù)庫連接的數(shù)量，防止熱點(diǎn)商品占用過多的數(shù)據(jù)庫連接
- 數(shù)據(jù)層排隊(duì)。應(yīng)用層排隊(duì)是有損性能的，數(shù)據(jù)層排隊(duì)是最為理想的。業(yè)界中，阿里的數(shù)據(jù)庫團(tuán)隊(duì)開發(fā)了針對InnoDB 層上的補(bǔ)丁程序(patch)，可以基于DB層對單行記錄做并發(fā)排隊(duì)，從而實(shí)現(xiàn)秒殺場景下的定制優(yōu)化——注意，排隊(duì)和鎖競爭是有區(qū)別的，如果熟悉 MySQL 的話，就會(huì)知道 InnoDB 內(nèi)部的死鎖檢測，以及 MySQL Server 和 InnoDB 的切換都是比較消耗性能的。另外阿里的數(shù)據(jù)庫團(tuán)隊(duì)還做了很多其他方面的優(yōu)化，如 COMMIT_ON_SUCCESS 和 ROLLBACK_ON_FAIL 的補(bǔ)丁程序，通過在 SQL 里加入提示(hint)，實(shí)現(xiàn)事務(wù)不需要等待實(shí)時(shí)提交，而是在數(shù)據(jù)執(zhí)行完最后一條 SQL 后，直接根據(jù) TARGET_AFFECT_ROW 的結(jié)果進(jìn)行提交或回滾，減少網(wǎng)絡(luò)等待的時(shí)間(毫秒級)。目前阿里已將包含這些補(bǔ)丁程序的 MySQL 開源：AliSQL
4.3 小結(jié)
高讀和高寫的兩種處理方式大相徑庭。讀請求的優(yōu)化空間要大一些，而寫請求的瓶頸一般都在存儲(chǔ)層，優(yōu)化思路的本質(zhì)還是基于 CAP 理論做平衡。
5 總結(jié)一下
當(dāng)然，減庫存還有很多細(xì)節(jié)問題，例如預(yù)扣的庫存超時(shí)后如何進(jìn)行回補(bǔ)，再比如第三方支付如何保證減庫存和付款時(shí)的狀態(tài)一致性，這些也是很大的挑戰(zhàn)。
高可用
盯過秒殺流量監(jiān)控的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)它不是一條蜿蜒而起的曲線，而是一條挺拔的直線，這是因?yàn)槊霘⒄埱蟾叨燃杏谀骋惶囟ǖ臅r(shí)間點(diǎn)。這樣一來就會(huì)造成一個(gè)特別高的零點(diǎn)峰值，而對資源的消耗也幾乎是瞬時(shí)的。所以秒殺系統(tǒng)的可用性保護(hù)是不可或缺的。
1 流量削峰
對于秒殺的目標(biāo)場景，最終能夠搶到商品的人數(shù)是固定的，無論 100 人和 10000 人參加結(jié)果都是一樣的，即有效請求額度是有限的。并發(fā)度越高，無效請求也就越多。但秒殺作為一種商業(yè)營銷手段，活動(dòng)開始之前是希望有更多的人來刷頁面，只是真正開始后，秒殺請求不是越多越好。因此系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)一些規(guī)則，人為的延緩秒殺請求，甚至可以過濾掉一些無效請求。
1.1 答題
早期秒殺只是簡單的點(diǎn)擊秒殺按鈕，后來才增加了答題。為什么要增加答題呢?主要是通過提升購買的復(fù)雜度，達(dá)到兩個(gè)目的：
- 防止作弊。早期秒殺器比較猖獗，存在惡意買家或競爭對手使用秒殺器掃貨的情況，商家沒有達(dá)到營銷的目的，所以增加答題來進(jìn)行限制。
- 延緩請求。零點(diǎn)流量的起效時(shí)間是毫秒級的，答題可以人為拉長峰值下單的時(shí)長，由之前的 <1s 延長到 <10s。這個(gè)時(shí)間對于服務(wù)端非常重要，會(huì)大大減輕高峰期并發(fā)壓力;另外，由于請求具有先后順序，答題后置的請求到來時(shí)可能已經(jīng)沒有庫存了，因此根本無法下單，此階段落到數(shù)據(jù)層真正的寫也就非常有限了。
需要注意的是，答題除了做正確性驗(yàn)證，還需要對提交時(shí)間做驗(yàn)證，比如<1s 人為操作的可能性就很小，可以進(jìn)一步防止機(jī)器答題的情況。
答題目前已經(jīng)使用的非常普遍了，本質(zhì)是通過在入口層削減流量，從而讓系統(tǒng)更好地支撐瞬時(shí)峰值。
1.2 排隊(duì)
最為常見的削峰方案是使用消息隊(duì)列，通過把同步的直接調(diào)用轉(zhuǎn)換成異步的間接推送緩沖瞬時(shí)流量。除了消息隊(duì)列，類似的排隊(duì)方案還有很多，例如：
- 線程池加鎖等待
- 本地內(nèi)存蓄洪等待
- 本地文件序列化寫，再順序讀
排隊(duì)方式的弊端也是顯而易見的，主要有兩點(diǎn)：
- 請求積壓。流量高峰如果長時(shí)間持續(xù)，達(dá)到了隊(duì)列的水位上限，隊(duì)列同樣會(huì)被壓垮，這樣雖然保護(hù)了下游系統(tǒng)，但是和請求直接丟棄也沒多大區(qū)別。
- 用戶體驗(yàn)。異步推送的實(shí)時(shí)性和有序性自然是比不上同步調(diào)用的，由此可能出現(xiàn)請求先發(fā)后至的情況，影響部分敏感用戶的購物體驗(yàn)。
排隊(duì)本質(zhì)是在業(yè)務(wù)層將一步操作轉(zhuǎn)變成兩步操作，從而起到緩沖的作用，但鑒于此種方式的弊端，最終還是要基于業(yè)務(wù)量級和秒殺場景做出妥協(xié)和平衡。
1.3 過濾
過濾的核心結(jié)構(gòu)在于分層，通過在不同層次過濾掉無效請求，達(dá)到數(shù)據(jù)讀寫的精準(zhǔn)觸發(fā)。常見的過濾主要有以下幾層：
- 讀限流：對讀請求做限流保護(hù)，將超出系統(tǒng)承載能力的請求過濾掉。
- 讀緩存：對讀請求做數(shù)據(jù)緩存，將重復(fù)的請求過濾掉。
- 寫限流：對寫請求做限流保護(hù)，將超出系統(tǒng)承載能力的請求過濾掉。
- 寫校驗(yàn)：對寫請求做一致性校驗(yàn)，只保留最終的有效數(shù)據(jù)。
過濾的核心目的是通過減少無效請求的數(shù)據(jù)IO保障有效請求的IO性能。
1.4 小結(jié)
系統(tǒng)可以通過入口層的答題、業(yè)務(wù)層的排隊(duì)、數(shù)據(jù)層的過濾達(dá)到流量削峰的目的，本質(zhì)是在尋求商業(yè)訴求與架構(gòu)性能之間的平衡。另外，新的削峰手段也層出不窮，以業(yè)務(wù)切入居多，比如零點(diǎn)大促時(shí)同步發(fā)放優(yōu)惠券或發(fā)起抽獎(jiǎng)活動(dòng)，將一部分流量分散到其他系統(tǒng)，這樣也能起到削峰的作用。
2 Plan B
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)面臨持續(xù)的高峰流量時(shí)，其實(shí)是很難單靠自身調(diào)整來恢復(fù)狀態(tài)的，日常運(yùn)維沒有人能夠預(yù)估所有情況，意外總是無法避免。尤其在秒殺這一場景下，為了保證系統(tǒng)的高可用，必須設(shè)計(jì)一個(gè) Plan B 方案來進(jìn)行兜底。
高可用建設(shè)，其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，貫穿在系統(tǒng)建設(shè)的整個(gè)生命周期。
具體來說，系統(tǒng)的高可用建設(shè)涉及架構(gòu)階段、編碼階段、測試階段、發(fā)布階段、運(yùn)行階段，以及故障發(fā)生時(shí)，逐一進(jìn)行分析：
- 架構(gòu)階段：考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，避免出現(xiàn)單點(diǎn)問題。例如多地單元化部署，即使某個(gè)IDC甚至地市出現(xiàn)故障，仍不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
- 編碼階段：保證代碼的健壯性，例如RPC調(diào)用時(shí)，設(shè)置合理的超時(shí)退出機(jī)制，防止被其他系統(tǒng)拖垮，同時(shí)也要對無法預(yù)料的返回錯(cuò)誤進(jìn)行默認(rèn)的處理。
- 測試階段：保證CI的覆蓋度以及Sonar的容錯(cuò)率，對基礎(chǔ)質(zhì)量進(jìn)行二次校驗(yàn)，并定期產(chǎn)出整體質(zhì)量的趨勢報(bào)告。
- 發(fā)布階段：系統(tǒng)部署最容易暴露錯(cuò)誤，因此要有前置的checklist模版、中置的上下游周知機(jī)制以及后置的回滾機(jī)制。
- 運(yùn)行階段：系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于運(yùn)行態(tài)，最重要的是運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、準(zhǔn)確報(bào)警并能提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，以便排查問題。
- 故障發(fā)生：首要目標(biāo)是及時(shí)止損，防止影響面擴(kuò)大，然后定位原因、解決問題，最后恢復(fù)服務(wù)。
對于日常運(yùn)維而言，高可用更多是針對運(yùn)行階段而言的，此階段需要額外進(jìn)行加強(qiáng)建設(shè)，主要有以下幾種手段：
- 預(yù)防：建立常態(tài)壓測體系，定期對服務(wù)進(jìn)行單點(diǎn)壓測以及全鏈路壓測，摸排水位。
- 管控：做好線上運(yùn)行的降級、限流和熔斷保護(hù)。需要注意的是，無論是限流、降級還是熔斷，對業(yè)務(wù)都是有損的，所以在進(jìn)行操作前，一定要和上下游業(yè)務(wù)確認(rèn)好再進(jìn)行。就拿限流來說，哪些業(yè)務(wù)可以限、什么情況下限、限流時(shí)間多長、什么情況下進(jìn)行恢復(fù)，都要和業(yè)務(wù)方反復(fù)確認(rèn)。
- 監(jiān)控：建立性能基線，記錄性能的變化趨勢;建立報(bào)警體系，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)預(yù)警。
- 恢復(fù)：遇到故障能夠及時(shí)止損，并提供快速的數(shù)據(jù)訂正工具，不一定要好，但一定要有。
在系統(tǒng)建設(shè)的整個(gè)生命周期中，每個(gè)環(huán)節(jié)中都可能犯錯(cuò)，甚至有些環(huán)節(jié)犯的錯(cuò)，后面是無法彌補(bǔ)的或者成本極高的。所以高可用是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須放到整個(gè)生命周期中進(jìn)行全面考慮。同時(shí)，考慮到服務(wù)的增長性，高可用更需要長期規(guī)劃并進(jìn)行體系化建設(shè)。
3 總結(jié)一下
高可用其實(shí)是在說 “穩(wěn)定性”，穩(wěn)定性是一個(gè)平時(shí)不重要，但出了問題就要命的事情，然而它的落地又是一個(gè)問題——平時(shí)業(yè)務(wù)發(fā)展良好，穩(wěn)定性建設(shè)就會(huì)降級給業(yè)務(wù)讓路。解決這個(gè)問題必須在組織上有所保障，比如讓業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人背上穩(wěn)定性績效指標(biāo)，同時(shí)在部門中建立穩(wěn)定性建設(shè)小組，小組成員由每條線的核心力量兼任，績效由穩(wěn)定性負(fù)責(zé)人來打分，這樣就可以把體系化的建設(shè)任務(wù)落實(shí)到具體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中了。
個(gè)人總結(jié)
一個(gè)秒殺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同級別的流量，由簡單到復(fù)雜打造出不同的架構(gòu)，本質(zhì)是各方面的取舍和權(quán)衡。當(dāng)然，你可能注意到，本文并沒有涉及具體的選型方案，因?yàn)檫@些對于架構(gòu)來說并不重要，作為架構(gòu)師，應(yīng)該時(shí)刻提醒自己主線是什么。
同時(shí)也在這里抽象、提煉一下，主要是個(gè)人對于秒殺設(shè)計(jì)的提綱式整理，方便各位同學(xué)進(jìn)行參考。
網(wǎng)站標(biāo)題：思考 | 一文說透秒殺系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)
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