千万级流量冲击下，如何保证极致性能
1 简要介绍
随着互联网的快速发展，网络应用的流量规模不断攀升，特别是在电商大促、明星直播、重大赛事、头条热搜等热点事件中，秒级 100w 请求成为了常态。在这样的流量冲击下，如何确保系统稳定、高效地处理每一个请求，为用户提供极致的体验，成为了技术团队面临的重要挑战。本文将深入探讨在超高流量下如何保证系统的极致性能。
2 架构建设方案
在解决千万级流量下的流量冲击问题时，我们需要综合运用多种技术手段，从系统架构、负载均衡、并发控制、缓存策略、数据库优化、限流等多个方面入手。
2.1 系统架构优化
系统架构是支撑高并发的基础。在应对千万级流量时，我们需要采用分布式、微服务化的架构，将业务拆分成多个独立的服务，每个服务负责处理特定的业务逻辑。通过水平扩展和垂直扩展相结合的方式，提升系统的整体处理能力。微服务架构可以参考作者的这个系列的文章《微服务系列》以下是微服务架构简图：
2.2. 负载均衡技术
负载均衡是实现高并发的关键技术之一。通过负载均衡器，我们可以将请求分发到多个服务器上，实现请求的均衡处理。常见的负载均衡策略包括轮询、加权轮询、最少连接数等。在实际应用中，我们可以根据业务需求和服务器性能选择合适的负载均衡策略，来协调多实例服务对每个分片流量分配的需求。负载均衡可以参考作者的这篇文章《图解常用负载均衡策略》。以下是负载均衡器在架构中的位置和职能。
2.3 异步处理与并发控制
通过引入异步处理机制，我们可以将耗时操作放在后台执行，避免阻塞主线程，提高系统的响应速度。同时，合理的并发控制也是必不可少的，我们可以利用线程池、信号量等技术手段来控制并发量，避免系统过载。
2.3.1 异步处理
互联网场景中经常使用消息中间件进行 异步处理\削峰 等操作，来缓解系统的压力。
1. 异步处理：
处理一项任务的时候，有 3 个步骤 A、B、C，需要先完成 A 操作, 然后做 B、C 操作。任务执行成功与否强依赖 A 的结果，但不依赖 B、C 的结果。如果我们使用串行的执行方式，那处理任务的周期就会变长，系统的整体吞吐能力也会降低（在同一个系统中做异步其实也是比较大的开销），所以使用消息队列是比较好的办法。
登录操作就是典型的场景：A：执行登录并得到结果、B：记录登录日志、C：将用户信息和 Token 写入缓存。 执行完 A 就可以从登录页跳到首页了，B、C 让服务慢慢去消化，不阻塞当前操作。
2. 削峰：
将峰值期间的操作削减，比如 A 同学的整个操作流程包含 12 个步骤，后续的 11 个步骤是不需要强关注结果的数据，可以放在消息队列中。
2.3.2 并发控制
可以通过一些办法来进行并发控制，如无效请求过滤和加锁等，避免大量的请求把系统冲垮。
1. Web 端/客户端的超预期请求过滤
大部分的用户是没有耐性的，当你的系统因为吞吐过载迟钝（响应延迟）的时候，用户可能会反复的点击按钮、刷新页面来重启发送请求。这样会对原本就瓶颈的系统造成更大的伤害。最好的办法就是服务端响应回来或超时之前，对用户的重复请求无效。如：限制用户在 5 秒之内只能提交一次请求，避免系统过载。
2. 系统入口处（如网关接入层）的超预期请求过滤
大部分操作是需要有幂等性保障的。同一个用户对一个服务批量且持续的请求必然是不正常的，要么是程序错误导致的循环请求，要么是攻击性行为。可以根据用户 Id 或者用户的登录 Token 来识别用户，避免单位时间内（比如 1s）的过量调用（比如 1000 次），通过这种限制来达到控制无效流量的目的。
3. 加锁进行并发控制
系统程序级别的锁（如 ReentrantLock），保持线程池的安全性，避免系统计算量过载参考作者这篇：Java核心知识体系8：Java如何保证线程安全性
缓存层上的分布式锁，进行流量的有效控制参考作者这篇：Redis系列13：分布式锁实现
数据库锁，最底层存储的数据一致性、有效性保障参考作者这篇：数据库系列：InnoDB下实现高并发控制
这些都是实现并发控制的关键机制。通过使用锁，我们可以确保在并发环境中对共享资源的访问是同步的，从而避免数据不一致或其他并发过载的问题。
2.4 缓存策略
缓存是提升系统性能的重要手段。通过缓存热点数据，我们可以减少对数据库的访问次数，降低数据库的压力。同时，缓存还可以提高数据的访问速度，提升用户体验。在实际应用中，我们可以采用 Redis 等内存数据库作为缓存层，通过合理的缓存策略实现数据的快速访问。
Redis 官方站点中，有对 Redis 性能做了比较详细的压测，可以参考官方这一篇 How fast is Redis?，在较高的配置基准下（比如 8C 16G +），在连接数为 0~10000 的时候，最高 QPS 可达到 120000。Redis 以超过 60000 个连接为基准，仍然能够在这些条件下维持 50000 个 q/s，体现了超高的性能。下图中横轴是连接数，纵轴是 QPS。
下面这张图为 data size 与整体吞吐量之间的趋向关系：
缓存可以扩展阅读作者的这个系列的文章：★ Redis24篇集合
2.5 数据库优化
数据库是系统的核心组件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。在应对高并发请求时，我们需要对数据库进行优化，包括优化 SQL 语句、建立合适的索引、分库分表、数据单元化设计等。通过数据库优化，我们可以提高数据的查询速度，减少数据库的负载，从而提升整个系统的性能。
数据库的优化可以扩展阅读作者这两篇文章：MySQL索引优化总结（综合版）、MySQL分库分表
2.6 流量限流
在流量高峰时段，我们可以通过限流技术来控制请求的速率，避免系统过载。限流的目标是在系统压力过大时拒绝部分请求，并且 failover 到固定的响应信息，保护系统的稳定性。以令牌桶原理（定速流入）为例，每秒钟只提供 N 个令牌，每个请求携带一个令牌标识前行，用完即限行。如下图：
限流熔断可以扩展阅读笔者的这篇文章：微服务治理之限流、熔断
3 业务场景说明
在实际业务中，高并发的场景多种多样。以电商平台为例，在大促期间，大量的用户会同时访问平台，进行商品浏览、下单、支付等操作。这些操作都会产生大量的并发请求，对系统的性能提出极高的要求。此外，社交应用、在线游戏等也面临着类似的挑战。
4 总结
在千万级流量下保证并发请求的极致性能是一个复杂而挑战性的问题。通过综合运用系统架构优化、负载均衡技术、缓存策略、数据库优化等多种技术手段，我们可以有效地提升系统的处理能力和响应速度。同时，我们还需要根据具体的业务场景和性能需求进行针对性的优化和调整，以实现最佳的性能表现。在未来的发展中，随着技术的不断进步和业务的不断扩展，我们还将面临更多的挑战和机遇。只有不断地学习和探索新的技术手段和方法，我们才能更好地应对这些挑战，为用户提供更加优质、高效的服务体验。
文章转载自：Hello-Brand
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