高并发解决方案毕业论文

2017年1月28日，正月初一，微信公布了用户在除夕当天收发微信红包的数量——142亿个，而其收发峰值也已达到76万每秒。百亿级别的红包，如何保障并发性能与资金安全？这给微信带来了超级挑战。面对挑战，微信红包在分析了业界“秒杀”系统解决方案的基础上，采用了 SET化、请求排队串行化、双维度分库表 等设计，形成了独特的高并发、资金安全系统解决方案。实践证明，该方案表现稳定，且实现了除夕夜系统零故障运行。概要： 一、业务 特点 ：海量的并发要求；严格的安全级别 二、技术 难点 ：并发请求抢锁；事务级操作量级大；事务性要求严格 三、解决高并发问题 通常 使用的 方案 ： 1.使用内存操作替代实时的DB事务操作（优点：内存操作替代磁盘操作，提高了并发性能。） 2使用乐观锁替代悲观锁。应用于微信红包系统，则会存在下面三个问题：滚并返回失败；并发大失败，小成功。DB压力大。 四、微信 红包 系统的高并发解决 方案 ： 1.系统垂直SET化，分而治之。 2.逻辑Server层将请求排队，解决DB并发问题。 3.双维度库表设计，保障系统性能稳定 类似“秒杀”活动，群里发一个红包=“秒杀”商品上架；抢红包的动作=“秒杀”的查询库存；拆红包=“秒杀” 同一时间有10万个群里的用户同时在发红包，那就相当于同一时间有10万个“秒杀”活动发布出去。10万个微信群里的用户同时抢红包，将产生海量的并发请求。 微信红包是微信支付的一个商户，提供资金流转服务。 用户发红包=购买一笔“钱”（在微信红包这个商户上），并且收货地址是微信群。当用户支付成功后，红包“发货”到微信群里，群里的用户拆开红包后，微信红包提供了将“钱”转入折红包用户微信零钱的服务。 资金交易业务比普通商品“秒杀”活动有更高的安全级别要求。普通的商品“秒杀”商品由商户提供，库存是商户预设的，“秒杀”时可以允许存在“超卖”、“少卖”的情况。但是对于微信红包，100元不可以被拆出101元；领取99元时，剩下的1元在24小时过期后要精确地退还给发红包用户，不能多也不能少。 在介绍微信红包系统的技术难点之前，先介绍下简单的、典型的商品“秒杀”系统的架构设计，如下图所示。该系统由接入层、逻辑服务层、存储层与缓存构成。Proxy处理请求接入，Server承载主要的业务逻辑，Cache用于缓存库存数量、DB则用于数据持久化。 一个“秒杀”活动，对应DB中的一条库存记录。当用户进行商品“秒杀”时，系统的主要逻辑在于DB中库存的操作上。一般来说，对DB的操作流程有以下三步： a. 锁库存 b. 插入“秒杀”记录 c. 更新库存 a.锁库存是为了 避免 并发请求时出现“ 超卖 ”情况。同时要求这 三步操作 需要在 一个事务 中完成(难点:并发请求抢锁)。 第一个事务完成提交之前这个锁一直被第一个请求占用，后面的所有请求需要 排队等待 。同时参与“秒杀”的用户越多，并发进DB的请求越多，请求 排队越严重 。 红包系统的设计上， 除了并发请求抢锁之外，还有以下两个突出难点 ： 首先，事务级操作量级大 。上文介绍微信红包业务特点时提到，普遍情况下同时会有数以万计的微信群在发红包。这个业务特点映射到微信红包系统设计上，就是有数以万计的“并发请求抢锁”同时在进行。这使 得DB的压力 比普通单个商品“库存”被锁要大很多倍。 其次，事务性要求严格 。微信红包系统本质上是一个资金交易系统，相比普通商品“秒杀”系统有更高的事务级别要求。 普通商品“秒杀”活动系统，解决高并发问题的方案，大体有以下几种： 如图2所示，将“实时扣库存”的行为上移到 内存Cache中操作 ，内存Cache操作成功直接给Server返回成功，然后 异步落DB持久化 。 优点：提高了并发性能。 缺点： 在内存操作 成功 但 DB持久化失败 ，或者内存 Cache故障 的情况下，DB持久化会 丢数据 ，不适合微信红包这种资金交易系统。 商品“秒杀”系统中，乐观锁的具体应用方法，是在DB的“库存”记录中维护一个版本号。在更新“库存”的操作进行前，先去DB获取当前版本号。在更新库存的事务提交时，检查该版本号是否已被其他事务修改。如果版本没被修改，则提交事务，且版本号加1；如果版本号已经被其他事务修改，则回滚事务，并给上层报错。 这个方案解决了“并发请求抢锁”的问题，可以提高DB的并发处理能力。 应用于微信红包系统，则会存在下面三个问题 ： 1.在并发抢到相同版本号的拆红包请求中， 只有一个能拆红包成功 ， 其他的请求 将事务回滚并返回失败，给用户 报错 ，用户体验完全不可接受。 2.将会导致 第一时间 同时拆红包的用户有一部分直接 返回失败 ，反而那些“ 手慢 ”的用户，有可能因为 并发减小 后拆红包 成功 ，这会带来用户体验上的负面影响。 3.会带来 大数量 的 无效 更新 请求 、事务 回滚 ，给 DB 造成不必要的额外 压力 。 微信红包用户发一个红包时，微信红包系统生成一个ID作为这个红包的唯一标识。接下来这个红包的所有发红包、抢红包、拆红包、查询红包详情等操作，都根据这个ID关联。 红包系统根据这个红包ID，按一定的规则（如按ID尾号取模等），垂直上下切分。切分后，一个垂直链条上的逻辑Server服务器、DB统称为一个SET。 各个SET之间相互独立，互相解耦。并且同一个红包ID的所有请求，包括发红包、抢红包、拆红包、查详情详情等，垂直stick到同一个SET内处理，高度内聚。通过这样的方式，系统将所有红包请求这个巨大的洪流分散为多股小流，互不影响，分而治之，如下图所示。 这个方案解决了同时存在海量事务级操作的问题，将海量化为小量。 红包系统是资金交易系统，DB操作的事务性无法避免，所以会存在“并发抢锁”问题。但是如果到达DB的事务操作（也即拆红包行为）不是并发的，而是串行的，就不会存在“并发抢锁”的问题了。 按这个思路，为了使拆红包的事务操作串行地进入DB，只需要将请求在 Server层以FIFO （ 先进先出 ）的方式排队，就可以达到这个效果。从而问题就集中到Server的FIFO队列设计上。 微信红包系统设计了分布式的、轻巧的、灵活的FIFO队列方案。其具体实现如下： 首先，将同一个红包ID的所有请求stick到同一台Server。 上面SET化方案已经介绍，同个红包ID的所有请求，按红包ID stick到同个SET中。不过在同个SET中，会存在多台Server服务器同时连接同一台DB（基于容灾、性能考虑，需要多台Server互备、均衡压力）。 为了使同一个红包ID的所有请求，stick到同一台Server服务器上，在SET化的设计之外，微信红包系统添加了一层基于红包ID hash值的分流，如下图所示。 其次，设计单机请求排队方案。 将stick到同一台Server上的所有请求在被接收进程接收后，按红包ID进行排队。然后 串行地进入worker进程 （执行业务逻辑）进行处理，从而达到 排队 的效果，如下图所示。 最后，增加memcached控制并发。 为了 防止 Server中的请求队列过载导致队列被降级，从而所有请求 拥进DB ，系统增加了与Server服务器同机部署的 memcached ，用于控制拆同一个红包的 请求并发数 。 具体来说，利用memcached的 CAS原子累增操作 ，控制同时进入 DB执行拆红包事务的请求数 ，超过预先设定数值则 直接拒绝服务 。用于 DB负载升高时的降级 体验。 通过以上三个措施，系统有效地 控制了DB的“并发抢锁” 情况。 红包系统的分库表规则，初期是根据 红包ID的hash值 分为多库多表。随着红包数据量逐渐增大，单表数据量也逐渐增加。而DB的性能与单表数据量有一定相关性。当单表数据量达到一定程度时，DB性能会有大幅度下降，影响系统性能稳定性。采用 冷热分离 ，将历史冷数据与当前热数据分开存储，可以解决这个问题。 系统在以 红包ID维度 分库表的基础上，增加了以 循环天分表的维度 ，形成了 双维度分库表 的特色。 具体来说，就是分库表规则像db_xx.t_y_dd设计，其中，xx/y是红包ID的 hash值后三位 ，dd的取值范围在01~31，代表一个月天数最多 31 天。 通过这种双维度分库表方式，解决了DB单表数据量膨胀导致性能下降的问题，保障了系统性能的稳定性。同时，在热冷分离的问题上，又使得数据搬迁变得简单而优雅。 综上所述，微信红包系统在解决高并发问题上的设计，主要采用了SET化分治、请求排队、双维度分库表等方案，使得单组DB的并发性能 提升了8倍 左右，取得了很好的效果。