《软件架构设计 大型网站技术架构与业务融合之道》第 8 章学习笔记整理

《软件架构设计 大型网站技术架构与业务融合之道》第 8 章学习笔记整理 高并发系统有哪些分类和例子 侧重于「高并发读」的系统

• 1.搜索引擎
• 2.电商的商品搜索
• 3.电商系统的商品描述、图片和价格

侧重于「高并发写」的系统

• 广告计费系统：C 端用户的每一次浏览或点击都会对广告主的账号余额进行一次扣减

同时侧重于「高并发读」和「高并发写」的系统

• 1.电商的库存系统和秒杀系统
• 2.支付系统和微信红包
• 3.IM、微博和朋友圈

高并发读的应对策略 策略 1：加缓存

• 案例 1：本地缓存或 Memcached/Redis 集中式缓存
• 案例 2：MySQL 的 Master/Slave
• 案例 3：CDN 静态文件加速(动静分离)

策略 2：并发读

• 案例 1：异步 RPC
  • 没有耦合关系的 3 个调用可以并行去调
• 案例 2：Google 的「冗余请求」
  • 客户端首先给服务端发送一个请求，并等待服务端返回的响应
  • 如果客户端在一定的时间内(定义为 95%请求的响应时间)没有收到响应，则马上给一台(或多台)服务器发送同样的请求
  • 客户端等待第一个响应到达之后，终止其他请求的处理

策略 3：重写轻读

• 案例 1：微博 Feeds 流
  • 场景
    • 微博首页或微信朋友圈都存在类似的查询场景:用户关注了n个人(或者有n个好友)，每个人都在不断地发微博，然后系统需要把这n个人的微博按时间排序成一个列表，也就是Feeds流并展示给用户
    • 用户也需要查看自已发布的微博列表
  • 原始方案(假设数据存在数据库中)
    • 表结构
      • 关注关系表(Following 表)
        • ID(自增主键)
        • user_id(关注者)
        • followings(被关注的人)
      • 微博发布表(Msg表)
        • ID(自增主键)
        • user_id(发布者)
        • msg_id(发布的微博 ID)
    • 查询 user_id = 1 发布的微博列表并分页
      • SELECt msg_ids from Msg where user_id = 1 limit offset, count
    • 查询 user_id = 1 用户的 Feeds 流，并按时间排序并分页，需要两条 SQL 语句
      • 先查询 user_id = 1 的用户的关注的用户列表：
      • SELECt followings from Following where user_id=1
      • 查询关注的所有用户的微博列表，按时间排序并分页I
      • SELECt msg_ids from Msg where user_id in (followings) limit offset, count
  • 重写轻读
    • 方案
      • 提前为每个 user_id 准备一个 Feeds 流，或叫收件箱
      • 每个用户都有一个发件箱和收件箱。用户发布 1 条微博后，只写入自己的发件箱就返回成功。然后后台异步地把这条微博推送到粉丝的收件箱，即「写扩散」
      • 这样，每个用户读取 Feeds 流的时候不需实时聚合，直接读取各自的收件箱即可
      • 若是收件箱数量超过一定的阈值，丢弃即可
    • 用户发布的微博如何全量保存数据
      • 仍然按 Msg 表存储，按 user_id 和时间范围进行数据库的分片
    • 分页后，如何快速查看某个 user_id 从某个 offet 开始的微博，如显示要第 50 页，每页有 100 个，即 offset = 5000 的位置开始之后的微博。如何快速定位到 5000 所属的库？
      • 借助二级索引：另外有一张表，记录。也就是每个 user_id 在每个月份发表的微博总数。基于这个索引表即可快速定位到 offset = 5000 的微博发生在那个月份
    • 用户粉丝多的优化：在读的时候实时聚合
      • 在写的一端，对于粉丝数量少的用户(假设定个阈值为5000，小于5000的用户)，发布一条微博之后推送给5000个粉丝
      • 对于粉丝数多的用户，只推送给在线的粉丝们(系统要维护一个全局的、在线的用户列表)
      • 对于读的一端，一个用户的关注的人当中，有的人是推给他的(粉丝数少于5000)， 有的人是需要他去拉的(粉丝数大于5000)，需要把两者聚合起来，再按时间排序，然后分页显示，这就是“推拉结合”
• 案例 2：多表的关联查询：宽表和搜索引擎
  • 提前把关联数据计算好，存在一个地方，读的时候直接去读聚合好的数据，而不是读取的时候再去做 join
  • 宽表实现：把要关联的表的数据算好后保存在宽表里。依据实际情况，可以定时算，也可能任何一张原始表发生变化之后就触发-次宽表数据的计算
  • ES 类的搜索引擎实现：把多张表的Join 结果做成一个个的文档，放在搜索引擎里面，也可以灵活地实现排序和分页查询功能

高并发写的应对策略 策略 1：数据分片

• 案例 1：数据库的分库分表
• 案例 2：JDK 的 ConcurrentHashMap 实现
  • ConcurrentHashMap在内部分成了若干槽( 个数是2的整数次方，默认是16 个槽)，也就是若干子HashMap。这些槽可以并发地读写，槽与槽之间是独立的，不会发生数据互斥
• 案例 3：Kafka 的 partition
  • 在Kafka中，一个topic表示-一个逻辑上的消息队列，具体到物理上，一个topic 被分成了多个partition,每个parition对应磁盘中的一个日志文件。partition 之间也是相互独立的，可以并发地读写，也就提高了一个topic 的并发量
• 案例 4：ES 的分布式索引
  • 在搜索引擎里有一个基本策略是分布式索引。比如有10亿个网页或商品，如果建在一个倒排索引里面，则索引很大，也不能并发地查询
  • 可以把这 10 亿个网页或商品分成n份，建成n个小的索引。一个查询请求来了以后，并行地在n个索引上查询，再把查询结果进行合并

策略 2：任务分片

• 案例 1：CPU 的指令流水线
• 案例 2：Map/Reduce
• 案例 3：Tomcat 的 1+N+M 网络模型
  • 把一个请求的处理分成了三个工序：监听、I/O、业务逻辑处理。1 个监听线程负责监听客户端的 Socket 连接；N 个 I/O 线程负责对 Socket 进行读写，N 通常约等于 CPU 核数；M 个 Work 线程负责对请求进行逻辑处理
  • 进一步来讲，Work 线程还可能被拆分成解码、业务逻辑计算、编码等环节，进一步提高并发度

策略 3：异步化

• 解释
  • 站在客户端的角度来讲，是请求服务器做一个事情,客户端不等结果返回，就去做其他的事情，回头再去轮询，或者让服务器回调通知
  • 站在服务器角度来看，是接收到一个客户的请求之后不立即处理，也不立马返回结果，而是在“后台慢慢地处理”，稍后返回结果。因为客户端不等上一个请求返回结果就可以发送一个请求，可以源源不断地发送请求，从而就形成了异步化
• 案例 1：短信验证码注册或登录
  • 通常在注册或登录App或小程序时，采用的方式为短信验证码。短信的发送通常需要依赖第三方的短信发送平台。客户端请求发送验证码，应用服务器收到请求后调用第三方的短信平台
  • 公网的HTTP调用可能需要1~2s，如果是同步调用，则应用服务器会被阻塞。假设应用服务器是Tomcat，一台机器最多可以同时处理几百个请求，如果同时来几百个请求，Tomcat就会被卡死了。
  • 改成异步调用就可以避免这个问题。应用服务器收到客户端的请求后，放入消息队列，并立即返回。然后有一个后台任务，从消息队列读取消息，去调用第三方短信平台发送验证码
• 案例 2：电商的订单系统
  • 买多个商品，但只下了一个订单付一次款，因为后台会进行「拆单」等环节
• 案例 3：广告计费系统
  • 用户的点击请求或浏览请求首先会以日志的形式进行落盘。落盘之后，立即给客户端返回数据。后续的所有处理，当然也包括扣费，全部是异步化的
• 案例 4：LSM 树(写内存+Write-Ahead 日志)
  • LSM(Log Structured Merged Tree)的核心思想是「异步写」。LSM 树支撑的是 KV 存储，磁盘上实现了 Sorted HashMap，但插入时是无序的
  • 原理：LSM 在内存中维护一个 Sorted HashMap，并写一条日志(即 Write-Ahead 日志)，该日志的关键点是顺序写入，只会在日志尾部追加，而不会随机地写入，再有一个后台任务定期地把内存中的 SortedHashMap 合并到磁盘文件中，后台任务会执行磁盘数据的合并排序
  • 拓展：上层业务高并发扣减 MySQL 中的账户余额，可以在 Redis 中扣，同时落一条日志(日志可以在一个高可靠的消息中间件或数据库中插入一条条日志，数据库可以分库分表)。当 Redis 宕机，把所有的日志重放完毕，再用数据库中的数据初始化 Redis 中的数据。当然，数据库中的数据不能比Redis落后太多，否则积压大量日志未处理，宕机恢复的时间会很长
• 案例 5：Kafka 的 Pipeline
  • kafka 为了高可用性，会为每个 Topic 的每个 Partition 准备多个副本，其中一个被选举为 Leader，另外都是 Follower
  • 对于同步发送，客户端每发送一条消息，Leader 要把这条消息同步到所有 Follower 后，才会对客户端返回成功
  • 在实现上，Leader 并不会主动给两个 Follower 同步数据，而是等 Follower 主动拉取，并且是批量拉取。当 Leader 收到客户端的消息 msg1 并把它存到本地文件后，就去做别的事情了，如接收下一个消息 msg2，此时客户端仍处于阻塞状态，等待 msg1 返回。只有等所有 Follower 把消息 msg1 拖过去后，Leader 才会返回客户端说 msg1 接收成功了

策略 4：批量

• 案例 1：Kafka 的百万 QPS 写入
  • kafka 快的三个策略：1.Partition 分片，2.磁盘的顺序写入，3批量，把多条合并成一条，一次性写入
  • kafka 的客户端在内存中为每个 Partition 准备了一个队列，称为 RecordAccumulator。Producer 线程一条条地发送消息，这些消息都进入内存队列。然后通过 Sender 线程从这些队列中批量地提取消息发送给 kafka 集群
  • 如果是同步发送，Producer 向队列中放入一条消息后会阻塞，等待 Sender 线程取走该条消息并发出去后，Producer 才会返回，这是没有批量 *** 作
  • 如果是异步发送，Producer把消息放入队列中后就返回了，Sender线程会把队列中的消息打包，一次发送出去多个，这时就会用到批量 *** 作
  • 对于具体的批量策略，Kafka提供了几种参数进行配置，可以按Batch的大小或等待时间来批量 *** 作
• 案例 2：广告计费系统的合并扣费
  • 例如可把同一账号扣 10 次，每次扣 1 块。改为 1 次扣 10 块
  • 扣费模块一次性地从持久化消息队列中取多条消息，对这多条消息按广告主的账号 ID 进行分组，同一个组内的消息的扣费金额累加合并，然后从数据库里扣除
• 案例 3：MySQL 的小事务合并机制
  • 比如扣库存，对同一个SKU,本来是扣10次、每次扣1个，也就是10个事务；在MySQL内核里面合并成1次扣10个，也就是10个事务变成了1个事务

策略 5：串行化+多进程单线程+异步 I/O

• 案例：Nginx、Redis 的单线程模型
  • 有了异步 I/O 后，可把请求串行化处理。这样，没有了锁的竞争和 I/O 的阻塞，单线程也非常高效。要利用多核优势可开多个实例

注：原始发布于个人博客：https://shiqi-lu.tech/soft-arch-design-ch8/