模块四 - 千万级学生管理系统试卷存储方案

性能需求评估

用户量评估

1000 万学生

业务建模

试卷存储主要涉及以下业务场景：

• 老师-考前提交 &修改试卷

• 学生-考前 1 分钟读取试卷

• 学生-考试中临时保存答案

• 学生-最终提交答案

• 老师-评阅答案并打分

• 学生-查看考试成绩

性能评估

几点假设

• 考试课程：

• 每个学生每年参加 20 门课程考试

• 每个课程 20 判断题、20 选择题、4 道大题（答案 200 字以内），每个题目 50 中文字，大题答案 100 中文字

• 每次考试 90 分钟

• 考试时间：

• 考试开始时间集中在上午 8 点、上午 10 点、下午 2 点、下午 4 点、晚上 7 点，5 个时间点

• 考试在 1 个月内完成

• 提交试卷：

• 学生每 5 分钟临时保存答案一次

• 学生每次考试都在最后 30 分钟全部交卷

• 阅卷打分

• 5 天内完成，每天阅卷 8 小时

• 学生查阅成绩

• 阅卷完成次日的一天 12 小时

性能评估

• 存储量（JSON 存储）：

• 试卷存储：4 个年级*20 门课程*（20 选择+20 判断+4 大题）*50 中文字*3Byte 每字=4*132000Byte=516Kb，如果考虑历史数据，大四 4 次、大三 3 次……516Kb*（4+3+2+1）=5MB（约等）

• 答案存储：1000 万*20 门课程*（20 选择*2Byte+20 判断*2Byte+4 大题*100 中文字*3Byte）=250G（约等），如果考虑历史数据，大四 4 次、大三 3 次……250G*（4+3+2+1）=2.5T（约等）

• 读性能

• 老师考前读试卷：可忽略

• 学生考前 1 分钟读试卷：20 门课程*1000 万*1 分钟/60S/20 天/5 次=4 万/秒（约等）

• 老师评阅试卷并打分：1000 万*20 门课程/5 天/8 小时/60 分钟/60 秒=1500/秒（约等）

• 学生查阅评分及打分结果：1000 万/5 天/12 小时/60 分钟/60 秒=50/秒（约等）

• 写性能

• 学生考中临时保存答案：20 门课程*1000 万*(90 分钟/5 分钟)/20 天/5 次/90 分钟/60 秒=7000/秒（约等）

• 学生最终提交答案：20 门课程*1000 万/20 天/5 次/30 分钟/60 秒=1500/秒（约等）

• 老师阅卷并打分：1000 万*20 门课程/5 天/8 小时/60 分钟/60 秒=1500/秒（约等）

性能汇总

• 试卷

• 存储量：答案总 5MB，每年 516Kb 增长

  读性能：学生读试卷 4 万/秒

• 答案

• 存储量：答案总 2.5T，每年 0.5T 增长

• 读性能：老师评分读 1500/秒

• 写性能：学生保存答案 7000/秒，老师评分 1500/秒

存储系统指标分析

单机存储量、单机写性能、单机读性能、自动切换、分区架构

存储方案设计

主流技术的指标假设

Linux 最大连接数 10 万

Nginx 每秒 2-3 万并发

Web 容器最大并发线程 100 个，每秒可处理请求 1000 个

Redis 每秒 5-10 万读

MySQL 每秒最高 2000TPS

HBase 四台 32 核主机每秒插入 70000 条，读取大约是 25000 条，扫描 100 条以内记录，每秒 15000 条（读取比写入慢？）

试卷存储分析

存储架构

存储结构

• MySQL 试卷表

CREATE TABLE `examin_paper`(	`id` INT PRIMARY KEY AUTOINCREMENT COMMENT '主键ID'	`cousre_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '课程ID',  `content` TEXT COMMENT '试卷内容，JSON',  `create_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',  `update_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间')ENGINE=InnoDB CHARSET=UTF8MB4;

• Redis KV

Key：examin_paper 的主键 ID

Value：exmin_paper 的 content

过期时间：考试结束后 1 小时

写入时间：考试试卷开始前 10 分钟

答案存储分析

存储架构

存储结构

• MySQL 答案表及答案评分表

CREATE TABLE `examin_answer`(	`id` INT PRIMARY KEY COMMENT '主键ID,雪花算法生成',	`examin_paper_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '试卷ID',  `student_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '学生ID',  `class_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '班级ID',  `content` TEXT COMMENT '答案内容，JSONArray->[]，数组下标就是题号',  `create_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',  `update_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间')ENGINE=InnoDB CHARSET=UTF8MB4 hash by(class_id);
CREATE TABLE `examin_answer_score`(	`id` INT PRIMARY KEY COMMENT '主键ID',  `examin_paper_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '试卷ID',	`examin_answer_id` INT DEFAULT 0 COMMENT '答案ID',  `content` TEXT COMMENT '得分结果，JSONArray->[]，数组下标就是题号',  `score` INT default 0 comment '得分',  `create_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',  `update_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间')ENGINE=InnoDB CHARSET=UTF8MB4;

• HBase Key-Columns

Key：学生 ID+试卷 ID

Columns：得分、试卷内容 JSON、考生答案

附录

Redis 各 CPU 架构下 TPS 估值（官网）

数据传输时延比对表（华仔架构课程）