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千万级高并发秒杀系统设计套路!超详细解读~~

  • 2022-10-21
    北京
  • 本文字数:5828 字

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曾经有一家巨头公司和我们公司进行战略合作,经过双方的不懈努力及精诚合作,双方公司决定共同举办一场秒杀活动,我们公司提供优质商品和强有力的吸引价格以及使用场景,对方公司提供巨大的用户流量,再加上我们公司自己的用户流量,粗略估算下来有 5000 万的用户流量。

其实,当时我们的架构是完全支撑不了千万级流量的瞬时冲击的,但是双方老板已经达成协议就要快速干起来,而且给了一个基本无法完成的时间期限。

由于时间紧急,我们公司技术部召开了紧急会议,最终得出结论就是在原有架构基础上增加秒杀的相关接口,增加两个 H5 页面作为前端秒杀活动的承接页面,然后等待洪水般流量的到来。

当秒杀活动真正开始时,流量远超过我们的估算,很快就卡住不动了,后台服务器内存、CPU、数据库负载等全满负荷了。期间,正常下单的用户也不能正常访问公司 App 以及下单。不难猜出,这个结果老板肯定是不满意的,要求必须解决,不能终止本次活动。

最后的解决办法是:使用金钱来砸——立刻增加 120 多台云服务器来承载当时的秒杀活动。那次活动对于技术部门来讲无疑是一个痛苦的经历,也是一个“不光彩”的经历。于是,后面增加了针对秒杀架构的设计。


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需求分析

“秒杀”这个词在电商行业中出现的频率较高,如京东或者淘宝平台的各种“秒杀”活动,最典型的就是“双 11 抢购”。

“秒杀”是指在有限的时间内对有限的商品数量进行抢购的一种行为,这是商家以“低价量少”的商品来获取用户的一种营销手段。

01. 功能性需求

其实,整个秒杀的业务场景并不复杂,可即查看参与秒杀的商品信息,加上购买和支付的动作,如下图所示。



秒杀业务最大的挑战在于 3 点:

  • 瞬时:持续时间极短,对于热门且具备极强竞争力的商品通常只有一秒。

  • 流量巨大:因为价格低廉,商品性价比高,而且正常买是需要很高的价格,所以才会吸引大量的用户来争抢。

  • 数量有限:因为商品的低价且性价比高,所以只有很有限的商品数量参与秒杀。

同时,在保证高并发流量承接的前提下,为了增强用户的体验和活动规则的公平性,以及防止遭到恶意破坏等,特此增加如下需求:

(1)用户在秒杀页面无需一直刷新“抢购”按钮,待秒杀活动开始时,按钮自动点亮。

(2)在公平以及防止恶意破坏的原则下,在下单之前增加验证码的录入,或者答题的相关环节。

(3)库存不能出现问题,即不多扣也不少扣。

(4)整个秒杀活动过程持续 10 分钟。

02. 性能指标预估

通过秒杀的需求描述可得出,当前秒杀活动主要需要预估三块的性能指标:存储容量、并发量、网络带宽。

1)存储容量

由于是秒杀活动,且参与的商品基本都是低价高性价比的,数量是非常有限的。所以,在订单存储上基本不用去过多考虑。

2)并发量

针对 5000 万用户平均每人访问 2 次,则并发量为每秒 16.7 万左右(5000w*2/10*60),在预留一部分,可以预估到每秒 25 万左右(也可以进行 double 下)。

3)网络带宽

在带宽方面,需要进行相关优化,采取数据传输越少越好,假设单条传输在 0.5KB,则根据并发量预估网络带宽为:977Mb 左右(25w*0.5KB=122MB*8bit=977Mb)。

03. 非功能性需求

做任何系统都要考虑非功能性需求,特别是公司的核心系统,当前秒杀业务系统非功能性需求主要体现在如下几点:

  • 高可用,在秒杀活动的整个持续期间内,都能对用户提供服务。

  • 高性能,让每个用户都能感受到极快的秒杀响应,不能出现大批量用户延迟较高的现象。

  • 可扩展,当流量比预期更高时,有平滑扩展的策略(也有部分产品设计成友好的拒绝策略)。


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概要设计

通过对秒杀业务的本身认知以及上面提到的秒杀业务需求,本次秒杀系统需要着重设计如下几点:

(1)动静分离:如何保证用户在不刷新页面的情况下,依然能进行秒杀相关数据的获取且不会耽误秒杀活动的开始。

(2)流量分层,针对巨大流量,如何进行有效的防控,以免造成后台服务的不堪重负,以及如何避免前端页面的卡死。

(3)高可用:如何确保后台持续提供服务。

(4)扣减库存:如何有效扣减库存。

01. 动静分离

动静分离是指,将静态页面与动态页面(或者静态数据与动态数据)解耦分离,用不同系统承载对应流量。这样可以提升整个服务访问性能和可维护性。

商品秒杀页面的静态数据以及动态数据,均是不同的地方提供,如下图所示。


 

静态数据是指,页面中几乎不怎么变化的数据(即不依据用户的 Cookie、基本信息、地域,及时间等各种属性来生成的数据),例如:

  • CSS 和 JavaScript 中的静态文件。

  • 活动页中的 HTML 静态文件。

  • 图片等相关资源文件。

  • 其他与用户信息无关的静态数据。

对于这种分离出来的静态数据可以进行缓存。在缓存之后,这些静态数据的访问效率就提高了,系统也更快了。可以使用代理服务器进行静态数据的缓存。

动态数据是指,依据当前用户属性动态生成的数据,在浏览淘宝首页时,每个用户所看到的商品都是不一样的,这就是淘宝的“千人千面”——针对不同用户做不同的推荐;在百度搜索中是依据不同用户的输入条件,以及用户的习惯给出不同的结果页。这其中的数据就是动态数据。

02. 流量分层

在“秒杀”业务中,商品价格具有强大的吸引力,所以会受到很多用户的关注,但是商品数量是有限的。所以,在千万的用户中可能只有 100 人能得到商品,对于系统来说,有 90%以上的流量属于无效流量。

“秒杀”业务希望有大量的用户来关注“秒杀”活动,但是在用户真正下单时又不能将这些流量全部放过,所以,需要设计一套高效的流量管控方案,来有效地控制请求流量,过滤掉没必要的流量。

对于瞬时流量洪峰可以采用倒三角的分层级逐层控制方式,共分为 CDN、反向代理(Nginx)、后端服务及 DB 这四个层级。接下来,就来看看每一层级是怎么控制流量的,如下图所示。



03. 高可用

要想在整个“秒杀”活动持续期间内,依然能对用户提供良好的体验,则秒杀系统架构在设计时不能设计成单节点的架构。

单节点是所有系统设计中的大忌,因为单节点系统意味着系统的不稳定性较高,可能会出现不可用的情况,会给企业带来直接的损失。在系统设计(特别是“秒杀”这类对高并发要求极高的系统)时,必须保证系统的高可用,如下图所示。



04. 扣减库存

对于“秒杀”活动,通常,公司是不允许商品超卖(即下单成功的数量不能大于商品存存数量)的。一旦超卖,则会给公司造成损失。如果被恶意流量利用,则损失是巨大的。

库存对于电商平台来说是一个重要的业务指标,所以在技术上需要合理设计扣减库存,不能出现“超卖”现象。通常,扣减库存常有以下 3 种方式:

  • 下单扣库存:在用户下单后就扣减库存。

  • 支付扣库存:用户付完款后再扣减库存。

  • 预扣库存:在用户下完订单后,系统会为其锁定库存一段时间,在超过锁定时间后会自动释放锁定的库存。

05. 系统架构设计

根据上面讨论,针对当前秒杀架构如下图所示。



如上架构比较简洁,主要分为以下 5 层。

  • 用户层:用户端的展现部分,主要涉及商品的相关信息及当前“秒杀”活动的信息。

  • CDN 层:缓存“秒杀”活动的静态资源文件。

  • 负载均衡层:拦截请求及分发路由等。

  • 服务层:“秒杀”活动的具体交易的相关逻辑处理。

  • 基础设施层:数据存储、大数据计算及消息推送相关操作。

其部署架构图如下:



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详细设计

01. 动静分离设计

实施动静分离架构可以采用“分而治之”的办法,即将动态数据和静态数据解耦,分别使用各自的架构系统来承载对应的流量:

  • 对于静态数据,推荐缩短用户请求路径,因为路径越短,访问速度也就越快。另外,即尽可能将静态数据缓存起来。

  • 对于动态数据,一般用户端需要和服务端进行交互才能获取,所以,请求路径较长,访问速度会慢一点。下图展示了动静分离方案。

静态数据访问速度很快,而动态数据访问速度较慢。那么试想下,可以将需要动态获取的数据给提前生成好,然后使用静态页面加速技术来访问吗?如果这样可以,那动态数据访问的速度就变快了。

这样是可以的,需要用到比较流行的“页面静态化”技术。页面静态化技术是指,直接缓存 HTTP 连接,而不仅是缓存数据。如下图所示,代理服务器根据请求的 URL 直接将 HTTP 对应的响应头及响应消息体返回,流程简洁且高效。



02. 流量分层设计

流量分层主要体现在对于 CDN 层、反向代理层、后端服务层以及数据层流量进行控制。

1)CDN 层流量控制

由动静分离技术可以想到:应尽量将尽可能多的数据提前生成,然后将其放入 CDN 节点缓存中(因为 CDN 层在物理架构上离用户比较近)。

所以,如果绝大部分的流量都在这一层获取数据,则到达后端的流量会减少很多,如下图所示。



2)反向代理层流量控制

在动静分离方案中,讲到通过“页面静态化技术”加速动态数据的获取,即提前将动态数据生成好,然后对其进行静态化处理。

所以,这里就可以依据页面静态化加速技术,通过后端服务 Job 的方式定时提前生成前端需要静态的数据;然后,将其发送到内容分发服务上;最后,分发服务会将这些静态化页面数据分发到所有的反向代理服务器上,如下图所示。



在“秒杀”业务中,活动详情页上有一个倒计时的模块,用户可以看到当前“秒杀”活动还剩余多少时间开始。

这种逻辑简单的功能可以直接使用 Nginx 来实现:利用 nginx-lua 插件,使用 lua 脚本获取当前 Nginx 服务器的时间进行计算倒计时。

另外,商品库存数据也可以通过 Nginx 直接访问分布式缓存来获取,如下图所示。



“秒杀”业务中的商品价格很低,对于用户有很大的吸引力,所以可能会有人利用“秒杀器”进行不公平竞争,且有可能存在竞争对手恶意刷请求的情况。

如果存在这样的情况,那本次活动就是有风险的,万一被恶意流量独占了库存,则会导致正常用户不能抢购商品,也有可能这种恶意的请求会对后端系统造成严重冲击,甚至造成后端系统瘫痪。

对于这种恶意请求,最好有一套机制能提前感知,并将恶意请求提前封存。可以在 Nginx 层中控制;也可以在 Nginx 中配置用户的访问频率(例如每分钟只能访问 10 次);还可以使用 Lua 脚本编写一些简单业务逻辑的接口,例如,通过调用接口直接封掉指定 IP 地址或 UserAgent 的请求。

3)后端服务层流量控制

对于服务层的流量控制,有以下几点建议:

  • 在程序开发上,代码独立,不要与平台其他项目一起。

  • 在部署时,应用独立部署,分散流量,避免不合适的流量影响主体业务。

  • 使用独立域名,或者按照一定的 URL 规则在反向代理层进行路由。

  • 做好系统保护和限流,进一步减少不必要的流量。

当“到达系统中的请求数”明显大于“系统能够处理的最大请求数”时,可以直接拒绝这些多余的请求,直接返回“秒杀”活动结束的信息。例如,活动开始时的商品库存是 100,目前库存只剩 50 了,如果“每台服务器待处理的请求数”已经超过“商品总库存数(100)”了,则可以直接终止掉多余的请求。

4)数据库层流量控制

对于请求到数据中的流量,写入的流量就是真正下单成功的流量,即需要扣减库存的动作。有如下建议:

  • 如果不是临时的活动,则建议使用独立的数据库作为“秒杀”活动的数据库。

  • 将数据库配置成读写分离。

  • 尝试去除行锁。

对于数据库行锁的优化,可以通过将商品进行拆分来实现——增加 ID,如下图所示。对于单一的“秒杀”活动这会得到显著效果。



从流量分层控制方案可看出,瞬时流量就像被漏斗过滤了似的,应尽量将数据和请求量一层一层地过滤掉。这种流量分层控制核心思想:在不同的层级中尽可能地过滤掉无效的请求,到达“倒三角”最末端的请求才是有效的请求。

5)高可用

在系统设计时想要做到高可用,避免单节点的一个小妙招:将服务无状态化。如果无法完全无状态化(如存储系统),则可以通过冗余多个备份节点的方案来避免单节点。

由于篇幅原因,高可用此处就不再赘述,大家可以查看《高并发系统实战派》一书里面针对高并发系统的真实设计案例,毫无保留的分享出了企业级高并发系统实战。

03. 扣减库存设计

由于在“秒杀”场景中商品一般优惠力度很大,对用户很具有吸引力,所以,在这种场景中使用“下单扣库存”方式更为合适。

在“秒杀”场景中,大部分用户抱着“抢到就是赚到”的想法,基本都会去付款的,但如果真有竞争对手恶意下单不付款,那我们该怎么办?前面在流量管控中已经说到,可以对请求日志进行实时分析,让风控系统选择出恶意用户,然后将其封停。

在“秒杀”场景中,通过流量分层控制可以分层管控大量的“读”请求。但是,依然会有很大的流量进入真正的下单逻辑。对于这么大的流量,除前面说的数据库隔离外,还需要进一步优化库存,否则数据库读/写依然是系统的瓶颈。

接下来看看如何优化大流量“秒杀”场景中的库存数量扣减操作。

1)利用缓存技术

在“秒杀”场景中,如果只是一个扣减库存数量这样的简单流程,则可以先将库存数量直接放在缓存中,然后用分布式缓存(如 Redis)的超高性能去应对这种瞬时流量洪峰下的系统挑战。

使用缓存是存在一定风险的,比如,缓存节点出现了异常,那库存数量该怎么算?

使用缓存,不仅要考虑分布式缓存高可用(如何设计可以查看我的新书“高并发系统实战派”),还要考虑各种限流容错机制,以确保分布式缓存对外提供服务。

2)异步处理技术

如果是复杂的扣减库存(如涉及商品信息本身或牵连其他系统),则建议使用数据库进行库存数量的扣减,可以使用异步的方式来应对这种高并发的库存的更新。

①在用户下单时,不立刻生成订单,而是将所有订单依次放入队列。

②下单模块依据自身的处理速度,从队列中依次获取订单进行“下单扣库存”操作。

③在订单生成成功后,用户即可进行支付操作了。

这种方式是针对“秒杀”场景的,依据“先到先得”原则来保证公平公正,所有用户都可以抢购,然后等待订单处理,最后生成订单(如果库存不足,则生成订单失败)。

这样的逻辑,对用户来说体验不是很差。

具体排队逻辑如下图所示。



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搭建千万级流量“秒杀”系统需要哪些技术

前面介绍了千万级流量“秒杀”系统的基本架构、“秒杀”系统的设计原则、如何做动静分离方案和流量控制,以及扣减库存方面内容。这些都是设计高并发“秒杀”系统必须要考虑的。

“秒杀”系统的流程并不复杂——只是一个“下单扣库存”的动作,但由于其独特的业务特点,所以在进行系统设计时不能大意。对于瞬时流量洪峰的高并发“秒杀”系统,我们需要什么技术呢?下面来总结一下。

(1)数据的静态化的技术

用来应对高并发读的请求,主要涉及以下内容,这些在《高并发系统实战派》一书中详细分享了真实使用场景已经技术方案:

  • 各层级缓存的处理(即多级缓存的技术)

  • 分布式缓存技术

(2)负载均衡反向代理技术

  • LVS

  • Nginx

(3)异步处理技术

  • 消息队列技术

  • 排队系统技术

(4)系统架构设计技术

  • 系统模块化划分

  • 微服务架构思想

(5)系统监控技术

  • 日志监控

  • 服务监控


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