【高并發(fā)】高并發(fā)秒殺系統(tǒng)架構解密，不是所有的秒殺都是秒殺！

前言

很多小伙伴反饋說，高并發(fā)專題學了那么久，但是，在真正做項目時，仍然不知道如何下手處理高并發(fā)業(yè)務場景！甚至很多小伙伴仍然停留在只是簡單的提供接口（CRUD）階段，不知道學習的并發(fā)知識如何運用到實際項目中，就更別提如何構建高并發(fā)系統(tǒng)了！

究竟什么樣的系統(tǒng)算是高并發(fā)系統(tǒng)？今天，我們就一起解密高并發(fā)業(yè)務場景下典型的秒殺系統(tǒng)的架構，結合高并發(fā)專題下的其他文章，學以致用。

電商系統(tǒng)架構

在電商領域，存在著典型的秒殺業(yè)務場景，那何謂秒殺場景呢。簡單的來說就是一件商品的購買人數(shù)遠遠大于這件商品的庫存，而且這件商品在很短的時間內就會被搶購一空。比如每年的618、雙11大促，小米新品促銷等業(yè)務場景，就是典型的秒殺業(yè)務場景。

我們可以將電商系統(tǒng)的架構簡化成下圖所示。

由圖所示，我們可以簡單的將電商系統(tǒng)的核心層分為：負載均衡層、應用層和持久層。接下來，我們就預估下每一層的并發(fā)量。

• 假如負載均衡層使用的是高性能的Nginx，則我們可以預估Nginx最大的并發(fā)度為：10W+，這里是以萬為單位。

• 假設應用層我們使用的是Tomcat，而Tomcat的最大并發(fā)度可以預估為800左右，這里是以百為單位。

• 假設持久層的緩存使用的是Redis，數(shù)據庫使用的是MySQL，MySQL的最大并發(fā)度可以預估為1000左右，以千為單位。Redis的最大并發(fā)度可以預估為5W左右，以萬為單位。

所以，負載均衡層、應用層和持久層各自的并發(fā)度是不同的，那么，為了提升系統(tǒng)的總體并發(fā)度和緩存，我們通?？梢圆扇∧男┓桨改兀?/p>

（1）系統(tǒng)擴容

系統(tǒng)擴容包括垂直擴容和水平擴容，增加設備和機器配置，絕大多數(shù)的場景有效。

（2）緩存

本地緩存或者集中式緩存，減少網絡IO，基于內存讀取數(shù)據。大部分場景有效。

（3）讀寫分離

采用讀寫分離，分而治之，增加機器的并行處理能力。

秒殺系統(tǒng)的特點

對于秒殺系統(tǒng)來說，我們可以從業(yè)務和技術兩個角度來闡述其自身存在的一些特點。

秒殺系統(tǒng)的業(yè)務特點

這里，我們可以使用12306網站來舉例，每年春運時，12306網站的訪問量是非常大的，但是網站平時的訪問量卻是比較平緩的，也就是說，每年春運時節(jié)，12306網站的訪問量會出現(xiàn)瞬時突增的現(xiàn)象。

再比如，小米秒殺系統(tǒng)，在上午10點開售商品，10點前的訪問量比較平緩，10點時同樣會出現(xiàn)并發(fā)量瞬時突增的現(xiàn)象。

所以，秒殺系統(tǒng)的流量和并發(fā)量我們可以使用下圖來表示。

由圖可以看出，秒殺系統(tǒng)的并發(fā)量存在瞬時凸峰的特點，也叫做流量突刺現(xiàn)象。

我們可以將秒殺系統(tǒng)的特點總結如下。

（1）限時、限量、限價

在規(guī)定的時間內進行；秒殺活動中商品的數(shù)量有限；商品的價格會遠遠低于原來的價格，也就是說，在秒殺活動中，商品會以遠遠低于原來的價格出售。

例如，秒殺活動的時間僅限于某天上午10點到10點半，商品數(shù)量只有10萬件，售完為止，而且商品的價格非常低，例如：1元購等業(yè)務場景。

限時、限量和限價可以單獨存在，也可以組合存在。

（2）活動預熱

需要提前配置活動；活動還未開始時，用戶可以查看活動的相關信息；秒殺活動開始前，對活動進行大力宣傳。

（3）持續(xù)時間短

購買的人數(shù)數(shù)量龐大；商品會迅速售完。

在系統(tǒng)流量呈現(xiàn)上，就會出現(xiàn)一個突刺現(xiàn)象，此時的并發(fā)訪問量是非常高的，大部分秒殺場景下，商品會在極短的時間內售完。

秒殺系統(tǒng)的技術特點

我們可以將秒殺系統(tǒng)的技術特點總結如下。

（1）瞬時并發(fā)量非常高

大量用戶會在同一時間搶購商品；瞬間并發(fā)峰值非常高。

（2）讀多寫少

系統(tǒng)中商品頁的訪問量巨大；商品的可購買數(shù)量非常少；庫存的查詢訪問數(shù)量遠遠大于商品的購買數(shù)量。

在商品頁中往往會加入一些限流措施，例如早期的秒殺系統(tǒng)商品頁會加入驗證碼來平滑前端對系統(tǒng)的訪問流量，近期的秒殺系統(tǒng)商品詳情頁會在用戶打開頁面時，提示用戶登錄系統(tǒng)。這都是對系統(tǒng)的訪問進行限流的一些措施。

（3）流程簡單

秒殺系統(tǒng)的業(yè)務流程一般比較簡單；總體上來說，秒殺系統(tǒng)的業(yè)務流程可以概括為：下單減庫存。

針對這種短時間內大流量的系統(tǒng)來說，就不太適合使用系統(tǒng)擴容了，因為即使系統(tǒng)擴容了，也就是在很短的時間內會使用到擴容后的系統(tǒng)，大部分時間內，系統(tǒng)無需擴容即可正常訪問。那么，我們可以采取哪些方案來提升系統(tǒng)的秒殺性能呢？

秒殺系統(tǒng)方案

針對秒殺系統(tǒng)的特點，我們可以采取如下的措施來提升系統(tǒng)的性能。

（1）異步解耦

將整體流程進行拆解，核心流程通過隊列方式進行控制。

（2）限流防刷

控制網站整體流量，提高請求的門檻，避免系統(tǒng)資源耗盡。

（3）資源控制

將整體流程中的資源調度進行控制，揚長避短。

由于應用層能夠承載的并發(fā)量比緩存的并發(fā)量少很多。所以，在高并發(fā)系統(tǒng)中，我們可以直接使用OpenResty由負載均衡層訪問緩存，避免了調用應用層的性能損耗。大家可以到https://openresty.org/cn/來了解有關OpenResty更多的知識。同時，由于秒殺系統(tǒng)中，商品數(shù)量比較少，我們也可以使用動態(tài)渲染技術，CDN技術來加速網站的訪問性能。

如果在秒殺活動開始時，并發(fā)量太高時，我們可以將用戶的請求放入隊列中進行處理，并為用戶彈出排隊頁面。

秒殺系統(tǒng)時序圖

網上很多的秒殺系統(tǒng)和對秒殺系統(tǒng)的解決方案，并不是真正的秒殺系統(tǒng)，他們采用的只是同步處理請求的方案，一旦并發(fā)量真的上來了，他們所謂的秒殺系統(tǒng)的性能會急劇下降。我們先來看一下秒殺系統(tǒng)在同步下單時的時序圖。

同步下單流程

1.用戶發(fā)起秒殺請求

在同步下單流程中，首先，用戶發(fā)起秒殺請求。商城服務需要依次執(zhí)行如下流程來處理秒殺請求的業(yè)務。

（1）識別驗證碼是否正確

商城服務判斷用戶發(fā)起秒殺請求時提交的驗證碼是否正確。

（2）判斷活動是否已經結束

驗證當前秒殺活動是否已經結束。

（3）驗證訪問請求是否處于黑名單

在電商領域中，存在著很多的惡意競爭，也就是說，其他商家可能會通過不正當手段來惡意請求秒殺系統(tǒng)，占用系統(tǒng)大量的帶寬和其他系統(tǒng)資源。此時，就需要使用風控系統(tǒng)等實現(xiàn)黑名單機制。為了簡單，也可以使用攔截器統(tǒng)計訪問頻次實現(xiàn)黑名單機制。

（4）驗證真實庫存是否足夠

系統(tǒng)需要驗證商品的真實庫存是否足夠，是否能夠支持本次秒殺活動的商品庫存量。

（5）扣減緩存中的庫存

在秒殺業(yè)務中，往往會將商品庫存等信息存放在緩存中，此時，還需要驗證秒殺活動使用的商品庫存是否足夠，并且需要扣減秒殺活動的商品庫存數(shù)量。

（6）計算秒殺的價格

由于在秒殺活動中，商品的秒殺價格和商品的真實價格存在差異，所以，需要計算商品的秒殺價格。

注意：如果在秒殺場景中，系統(tǒng)涉及的業(yè)務更加復雜的話，會涉及更多的業(yè)務操作，這里，我只是列舉出一些常見的業(yè)務操作。

2.提交訂單

（1）訂單入口

將用戶提交的訂單信息保存到數(shù)據庫中。

（2）扣減真實庫存

訂單入庫后，需要在商品的真實庫存中將本次成功下單的商品數(shù)量扣除。

如果我們使用上述流程開發(fā)了一個秒殺系統(tǒng)，當用戶發(fā)起秒殺請求時，由于系統(tǒng)每個業(yè)務流程都是串行執(zhí)行的，整體上系統(tǒng)的性能不會太高，當并發(fā)量太高時，我們會為用戶彈出下面的排隊頁面，來提示用戶進行等待。

此時的排隊時間可能是15秒，也可能是30秒，甚至是更長時間。這就存在一個問題：在用戶發(fā)起秒殺請求到服務器返回結果的這段時間內，客戶端和服務器之間的連接不會被釋放，這就會占大量占用服務器的資源。

網上很多介紹如何實現(xiàn)秒殺系統(tǒng)的文章都是采用的這種方式，那么，這種方式能做秒殺系統(tǒng)嗎？答案是可以做，但是這種方式支撐的并發(fā)量并不是太高。此時，有些網友可能會問：我們公司就是這樣做的秒殺系統(tǒng)??！上線后一直在用，沒啥問題啊！我想說的是：使用同步下單方式確實可以做秒殺系統(tǒng)，但是同步下單的性能不會太高。之所以你們公司采用同步下單的方式做秒殺系統(tǒng)沒出現(xiàn)大的問題，那是因為你們的秒殺系統(tǒng)的并發(fā)量沒達到一定的量級，也就是說，你們的秒殺系統(tǒng)的并發(fā)量其實并不高。

所以，很多所謂的秒殺系統(tǒng)，存在著秒殺的業(yè)務，但是稱不上真正的秒殺系統(tǒng)，原因就在于他們使用的是同步的下單流程，限制了系統(tǒng)的并發(fā)流量。之所以上線后沒出現(xiàn)太大的問題，是因為系統(tǒng)的并發(fā)量不高，不足以壓死整個系統(tǒng)。

如果12306、淘寶、天貓、京東、小米等大型商城的秒殺系統(tǒng)是這么玩的話，那么，他們的系統(tǒng)遲早會被玩死，他們的系統(tǒng)工程師不被開除才怪！所以，在秒殺系統(tǒng)中，這種同步處理下單的業(yè)務流程的方案是不可取的。

以上就是同步下單的整個流程操作，如果下單流程更加復雜的話，就會涉及到更多的業(yè)務操作。

異步下單流程

既然同步下單流程的秒殺系統(tǒng)稱不上真正的秒殺系統(tǒng)，那我們就需要采用異步的下單流程了。異步的下單流程不會限制系統(tǒng)的高并發(fā)流量。

1.用戶發(fā)起秒殺請求

用戶發(fā)起秒殺請求后，商城服務會經過如下業(yè)務流程。

（1）檢測驗證碼是否正確

用戶發(fā)起秒殺請求時，會將驗證碼一同發(fā)送過來，系統(tǒng)會檢驗驗證碼是否有效，并且是否正確。

（2）是否限流

系統(tǒng)會對用戶的請求進行是否限流的判斷，這里，我們可以通過判斷消息隊列的長度來進行判斷。因為我們將用戶的請求放在了消息隊列中，消息隊列中堆積的是用戶的請求，我們可以根據當前消息隊列中存在的待處理的請求數(shù)量來判斷是否需要對用戶的請求進行限流處理。

例如，在秒殺活動中，我們出售1000件商品，此時在消息隊列中存在1000個請求，如果后續(xù)仍然有用戶發(fā)起秒殺請求，則后續(xù)的請求我們可以不再處理，直接向用戶返回商品已售完的提示。

所以，使用限流后，我們可以更快的處理用戶的請求和釋放連接的資源。

（3）發(fā)送MQ

用戶的秒殺請求通過前面的驗證后，我們就可以將用戶的請求參數(shù)等信息發(fā)送到MQ中進行異步處理，同時，向用戶響應結果信息。在商城服務中，會有專門的異步任務處理模塊來消費消息隊列中的請求，并處理后續(xù)的異步流程。

在用戶發(fā)起秒殺請求時，異步下單流程比同步下單流程處理的業(yè)務操作更少，它將后續(xù)的操作通過MQ發(fā)送給異步處理模塊進行處理，并迅速向用戶返回響應結果，釋放請求連接。

2.異步處理

我們可以將下單流程的如下操作進行異步處理。

（1）判斷活動是否已經結束

（2）判斷本次請求是否處于系統(tǒng)黑名單，為了防止電商領域同行的惡意競爭可以為系統(tǒng)增加黑名單機制，將惡意的請求放入系統(tǒng)的黑名單中?？梢允褂脭r截器統(tǒng)計訪問頻次來實現(xiàn)。

（3）扣減緩存中的秒殺商品的庫存數(shù)量。

（4）生成秒殺Token，這個Token是綁定當前用戶和當前秒殺活動的，只有生成了秒殺Token的請求才有資格進行秒殺活動。

這里我們引入了異步處理機制，在異步處理中，系統(tǒng)使用多少資源，分配多少線程來處理相應的任務，是可以進行控制的。

3.短輪詢查詢秒殺結果

這里，可以采取客戶端短輪詢查詢是否獲得秒殺資格的方案。例如，客戶端可以每隔3秒鐘輪詢請求服務器，查詢是否獲得秒殺資格，這里，我們在服務器的處理就是判斷當前用戶是否存在秒殺Token，如果服務器為當前用戶生成了秒殺Token，則當前用戶存在秒殺資格。否則繼續(xù)輪詢查詢，直到超時或者服務器返回商品已售完或者無秒殺資格等信息為止。

采用短輪詢查詢秒殺結果時，在頁面上我們同樣可以提示用戶排隊處理中，但是此時客戶端會每隔幾秒輪詢服務器查詢秒殺資格的狀態(tài)，相比于同步下單流程來說，無需長時間占用請求連接。

此時，可能會有網友會問：采用短輪詢查詢的方式，會不會存在直到超時也查詢不到是否具有秒殺資格的狀態(tài)呢？答案是：有可能！ 這里我們試想一下秒殺的真實場景，商家參加秒殺活動本質上不是為了賺錢，而是提升商品的銷量和商家的知名度，吸引更多的用戶來買自己的商品。所以，我們不必保證用戶能夠100%的查詢到是否具有秒殺資格的狀態(tài)。

4.秒殺結算

（1）驗證下單Token

客戶端提交秒殺結算時，會將秒殺Token一同提交到服務器，商城服務會驗證當前的秒殺Token是否有效。

（2）加入秒殺購物車

商城服務在驗證秒殺Token合法并有效后，會將用戶秒殺的商品添加到秒殺購物車。

5.提交訂單

（1）訂單入庫

將用戶提交的訂單信息保存到數(shù)據庫中。

（2）刪除Token

秒殺商品訂單入庫成功后，刪除秒殺Token。

這里大家可以思考一個問題：我們?yōu)槭裁粗辉诋惒较聠瘟鞒痰姆凵糠植捎卯惒教幚?，而沒有在其他部分采取異步削峰和填谷的措施呢？

這是因為在異步下單流程的設計中，無論是在產品設計上還是在接口設計上，我們在用戶發(fā)起秒殺請求階段對用戶的請求進行了限流操作，可以說，系統(tǒng)的限流操作是非常前置的。在用戶發(fā)起秒殺請求時進行了限流，系統(tǒng)的高峰流量已經被平滑解決了，再往后走，其實系統(tǒng)的并發(fā)量和系統(tǒng)流量并不是非常高了。

所以，網上很多的文章和帖子中在介紹秒殺系統(tǒng)時，說是在下單時使用異步削峰來進行一些限流操作，那都是在扯淡！因為下單操作在整個秒殺系統(tǒng)的流程中屬于比較靠后的操作了，限流操作一定要前置處理，在秒殺業(yè)務后面的流程中做限流操作是沒啥卵用的。

高并發(fā)“黑科技”與致勝奇招

假設，在秒殺系統(tǒng)中我們使用Redis實現(xiàn)緩存，假設Redis的讀寫并發(fā)量在5萬左右。我們的商城秒殺業(yè)務需要支持的并發(fā)量在100萬左右。如果這100萬的并發(fā)全部打入Redis中，Redis很可能就會掛掉，那么，我們如何解決這個問題呢？接下來，我們就一起來探討這個問題。

在高并發(fā)的秒殺系統(tǒng)中，如果采用Redis緩存數(shù)據，則Redis緩存的并發(fā)處理能力是關鍵，因為很多的前綴操作都需要訪問Redis。而異步削峰只是基本的操作，關鍵還是要保證Redis的并發(fā)處理能力。

解決這個問題的關鍵思想就是：分而治之，將商品庫存分開放。

暗度陳倉

我們在Redis中存儲秒殺商品的庫存數(shù)量時，可以將秒殺商品的庫存進行“分割”存儲來提升Redis的讀寫并發(fā)量。

例如，原來的秒殺商品的id為10001，庫存為1000件，在Redis中的存儲為(10001, 1000)，我們將原有的庫存分割為5份，則每份的庫存為200件，此時，我們在Redia中存儲的信息為(10001_0, 200)，(10001_1, 200)，(10001_2, 200)，(10001_3, 200)，(10001_4, 200)。

此時，我們將庫存進行分割后，每個分割后的庫存使用商品id加上一個數(shù)字標識來存儲，這樣，在對存儲商品庫存的每個Key進行Hash運算時，得出的Hash結果是不同的，這就說明，存儲商品庫存的Key有很大概率不在Redis的同一個槽位中，這就能夠提升Redis處理請求的性能和并發(fā)量。

分割庫存后，我們還需要在Redis中存儲一份商品id和分割庫存后的Key的映射關系，此時映射關系的Key為商品的id，也就是10001，Value為分割庫存后存儲庫存信息的Key，也就是10001_0，10001_1，10001_2，10001_3，10001_4。在Redis中我們可以使用List來存儲這些值。

在真正處理庫存信息時，我們可以先從Redis中查詢出秒殺商品對應的分割庫存后的所有Key，同時使用AtomicLong來記錄當前的請求數(shù)量，使用請求數(shù)量對從Redia中查詢出的秒殺商品對應的分割庫存后的所有Key的長度進行求模運算，得出的結果為0，1，2，3，4。再在前面拼接上商品id就可以得出真正的庫存緩存的Key。此時，就可以根據這個Key直接到Redis中獲取相應的庫存信息。

移花接木

在高并發(fā)業(yè)務場景中，我們可以直接使用Lua腳本庫（OpenResty）從負載均衡層直接訪問緩存。

這里，我們思考一個場景：如果在秒殺業(yè)務場景中，秒殺的商品被瞬間搶購一空。此時，用戶再發(fā)起秒殺請求時，如果系統(tǒng)由負載均衡層請求應用層的各個服務，再由應用層的各個服務訪問緩存和數(shù)據庫，其實，本質上已經沒有任何意義了，因為商品已經賣完了，再通過系統(tǒng)的應用層進行層層校驗已經沒有太多意義了?。《鴳脤拥牟l(fā)訪問量是以百為單位的，這又在一定程度上會降低系統(tǒng)的并發(fā)度。

為了解決這個問題，此時，我們可以在系統(tǒng)的負載均衡層取出用戶發(fā)送請求時攜帶的用戶id，商品id和秒殺活動id等信息，直接通過Lua腳本等技術來訪問緩存中的庫存信息。如果秒殺商品的庫存小于或者等于0，則直接返回用戶商品已售完的提示信息，而不用再經過應用層的層層校驗了。 針對這個架構，我們可以參見本文中的電商系統(tǒng)的架構圖（正文開始的第一張圖）。

寫在最后

最后，附上并發(fā)編程需要掌握的核心技能知識圖，祝大家在學習并發(fā)編程時，少走彎路。

記?。?/span>你比別人強的地方，不是你做過多少年的CRUD工作，而是你比別人掌握了更多深入的技能。不要總停留在CRUD的表面工作，理解并掌握底層原理并熟悉源碼實現(xiàn)，并形成自己的抽象思維能力，做到靈活運用，才是你突破瓶頸，脫穎而出的重要方向！

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