秒杀和高并发是面试的高频考点,也是我们做电商项目必知必会的场景。欢迎大家参与我们的开源项目,提交PR,提高竞争力。早日上岸,升职加薪。
这篇文章一万多字,详细解答了大家在面试中经常被问到的秒杀问题,对做秒杀项目的朋友也应该有帮助。
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本文除了结合我的项目经验、也感谢GoFrame作者强哥的帮助、我的好友苏三哥的帮助(公众号:苏三说技术)、以及机械工业出版社的**《Go语言高级开发与实战》** 的帮助。
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瞬时高并发是秒杀项目的典型问题,常规的架构设计和代码实现在一般活动中可以应对,但是却经受不住瞬时高并发的考验。
这也是为什么秒杀能成为一个面试高频考点。
本文从浅入深,先将业务再讲原理,先讲问题再将方案,先讲理论再上代码。
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预抢购业务:活动未正式开始前,先进行活动预约。在真正秒杀的时间点,很多数据都是预处理好的了,可以很大程度削减系统压力。比如:活动预约、订金预约、火车票预约等
分批抢购业务:分时段多场次抢购,比如我们熟悉的京东满减优惠券就是分场次开放的,整点抢购。
实时秒杀:这是最有难度的秒杀场景,比如双11晚上0点秒杀,在这个时间点前后会涌入高并发流量:频繁刷新页面、疯狂点击抢购按钮、甚至利用机器模拟请求。
下面就按照思维导图的顺序,为大家展开聊聊如何做好秒杀系统的设计?
活动页面是用户流量的第一入口,是并发量最大的地方。
如果这些流量都直接访问服务端,服务端会因为承受不住这么大的压力,而直接挂掉。
活动页面绝大多数内容是固定的,比如:商品名称、商品描述、图片等。
为了减少不必要的服务端请求,通常情况下,会对活动页面做静态化处理。
因为用户浏览商品等常规操作,并不会请求到服务端。只有到了秒杀时间点,并且用户主动点了秒杀按钮才允许访问服务端。
更进一步,只做页面静态化还不够,因为用户分布在全国各地,有些人在北京,有些人在上海,有些人在深圳,地域相差很远,网速各不相同。
如何才能让用户最快访问到活动页面呢?
这就需要使用CDN,它的全称是Content Delivery Network,即内容分发网络。
使用户能够就近获取所需内容,提高用户访问活动页面的响应速度和命中率。
如果你也参与过秒杀活动,应该有这样的体会:因为担心错过秒杀时间,会提前进入活动页面,并且不断的刷新页面。
很多秒杀活动在活动开始前,秒杀按钮是置灰,不可点击的。只有到了秒杀时间点那一时刻,秒杀按钮才会自动点亮,变成可点击的。
往往在秒杀开始之前,很多用户已经迫不及待了,通过不停刷新页面,争取在第一时间看到秒杀按钮的点亮。
大家思考一个问题:这个活动页面是静态的,我们在静态页面中如何控制秒杀按钮,只在秒杀时间点时才点亮呢?
答案就是:使用js文件控制。
为了性能考虑,我们一般会将css、js和图片等静态资源文件提前缓存到CDN上,让用户能够就近访问秒杀页面。
我们还要考虑一个问题:CDN上的js文件要如何更新呢?
我们可以通过在js中设置标记的方式来设置按钮的状态,比如isBegin=true代表活动开始,isBegin=false代表活动未开始。
秒杀开始之前,js标志为false,秒杀活动开始时设置为true。为了达到这个效果,我们另外还需要一个随机参数用来主动刷新CDN。
当秒杀开始的时候系统会生成一个新的js文件,此时标志为true,并且随机参数生成一个新值,然后同步给CDN。由于有了这个随机参数,CDN不会缓存数据,每次都能从CDN中获取最新的js代码。
除了使用CDN降低请求压力,前端还可以加一个定时器,控制请求频率,比如:10秒之内,只允许发起一次请求。
如果用户点击了一次秒杀按钮,则在10秒之内置灰,不允许再次点击,等到过了时间限制,又允许重新点击该按钮。
秒杀是非常典型的“读多写少”场景。
在秒杀的过程中,系统一般会先查一下库存是否足够,如果库存充足才允许下单,写数据库。如果不够,则直接返回该商品已经抢完。
由于大量用户抢少量商品,只有极少部分用户能够抢成功,所以绝大部分用户在秒杀时,库存其实是不足的,系统会直接返回该商品已经抢完。
如果有数十万的请求过来,并发请求数据库查库存是否足够,此时数据库可能会挂掉。
因为数据库的连接资源非常有限,MySQL这类关系型数据库是无法同时支持这么多的连接。
那怎么办呢?
我们应该使用nosql缓存,比如:redis。
注意:即便用了redis,在高并发场景下也需要部署多个节点。
通常情况下,我们需要在redis中保存商品信息,包括:商品id、商品名称、规格属性、库存等信息,同时数据库中也要有相关信息,毕竟缓存并不完全可靠。
用户在点击秒杀按钮,请求秒杀接口的过程中,传入的商品id参数,服务端需要校验该商品是否合法。
大致流程如下图所示:
这个过程表面上看起来是OK的,但是如果深入分析,会发现一些问题。
为了方便大家理解,也科普一下缓存常用问题:
比如商品A第一次秒杀时,缓存中是没有数据的,但数据库中有。虽说上面有从数据库中查到数据,放入缓存的逻辑。
但是在高并发下,同一时刻会有大量的请求,都在秒杀同一件商品,这些请求同时去查缓存没有命中,然后又同时访问数据库。结果悲剧了,数据库可能扛不住压力,直接挂掉。
如何解决这个问题呢?
这就需要加锁,最好使用分布式锁,思路见下图:
针对这种情况,我们最好在项目启动之前,先把缓存进行预热。
事先把参与秒杀的所有商品,同步到缓存中,这样商品基本都能直接从缓存中获取到,就不会出现缓存击穿的问题了。
是不是上面加锁这一步可以不需要了?
表面上看起来,确实可以不需要。但是真实环境是比较复杂的,我们要考虑到意外情况,比如:
如果不加锁,上面这些情况很可能出现缓存击穿的问题。
活动数据预缓存+分布式锁,相当于上了双保险。
如果有大量的请求传入商品id,并且在缓存和数据库中都不存在,这些请求就都会穿透过缓存,而直接访问数据库了。这就是典型的缓存穿透。
如果没有加锁的话很可能造成服务不可用。
由于前面已经加了锁,所以即使这里的并发量很大,也不会导致数据库直接挂掉。但很显然这些请求的处理性能并不好。
有没有更好的解决方案?
布隆过滤器你值得拥有
简单来说,布隆过滤器(BloomFilter)是一种数据结构。特点是存在性检测,如果布隆过滤器中不存在,那么实际数据一定不存在;如果布隆过滤器中存在,实际数据不一定存在。相比于传统数据结构(如:List、Set、Map等)来说,它更高效,占用空间更少。缺点是它对于存在的判断是具有概率性。
引入布隆过滤器后的流程如下:
虽说该方案可以解决缓存穿透问题,但是又会引出另外一个问题:布隆过滤器中的数据如何跟缓存中的数据保持一致?
这就要求,如果缓存中数据有更新,就要及时同步到布隆过滤器中。
如果数据同步失败了,还需要增加重试机制,而且跨数据源,能保证数据的实时一致性吗?
显然是不能的。
布隆过滤器建议使用在缓存数据更新很少的场景中。
如果缓存数据更新非常频繁,又该如何处理呢?
我们可以把不存在的商品id也缓存起来。
下次,再有该商品id的请求过来,则也能从缓存中查到数据,只不过该数据比较特殊,表示商品不存在。 需要特别注意的是,这种特殊缓存设置的超时时间应该尽量短一点。
秒杀场景中的库存问题是比较复杂的,可不是简单的库存减1就ok了~
真正的秒杀场景,不是说扣完库存,就完事了。如果用户在一段时间内,还没完成支付,扣减的库存是要加回去的。
在这里为大家介绍预扣库存的概念,预扣库存的主要流程如下:
扣减库存中除了上面说到的 预扣库存 和 回退库存 之外,还需要特别注意的是 库存不足 和 库存超卖 问题。
下面逐个为大家解释:
使用数据库扣减库存,是最简单的实现方案了,假设扣减库存的update sql如下:
update product set stock=stock-1 where id=123;
这种写法对于扣减库存是没有问题的,但如何控制库存不足的情况下,不让用户操作呢?
这就需要在update之前,先查一下库存是否足够了。
伪代码如下:
int stock = product.getStockById(123);
if(stock > 0) {
int count = product.updateStock(123);
if(count > 0) {
addOrder(123);
}
}
大家有没有发现这段代码的问题?
问题就是查询操作和更新操作不是原子性的,会导致在并发的场景下,出现库存超卖的情况。
有些同学可能会说:这简单,加把锁不就搞定了。
确实可以,但是性能不够好,我们做秒杀一定要考虑高并发,考虑到性能问题。
优雅的处理方案:基于数据库的乐观锁,这样会少一次数据库查询,而且能够天然的保证数据操作的原子性。
只需将上面的sql稍微调整一下:
update product set stock=stock-1 where id=product_id and stock > 0;
在sql最后加上:stock > 0,就能保证不会出现超卖的情况。
我们都知道数据库连接是非常昂贵的资源,在高并发的场景下,可能会造成系统雪崩。而且,容易出现多个请求,同时竞争行锁的情况,造成相互等待,从而出现死锁的问题。
除了上述方案有没有更好的办法呢?
当然有了,nosql要比关系型数据库性能好很多,我们可以使用redis扣减库存:
redis的incr方法是原子性的,可以用该方法扣减库存。伪代码如下:
boolean exist = redisClient.query(productId,userId);
if(exist) {
return -1;
}
int stock = redisClient.queryStock(productId);
if(stock <=0) {
return 0;
}
redisClient.incrby(productId, -1);
redisClient.add(productId,userId);
return 1;
代码流程如下:
估计很多小伙伴,一开始都会按这样的思路写代码。
但仔细想想会发现,这段代码也有问题。有什么问题呢?
如果在高并发下,有多个请求同时查询库存,当时都大于0。由于查询库存和更新库存非原则操作,则会出现库存为负数的情况,即库存超卖。
其实解决这个问题也很简单,我们回忆一下上面数据库扣减库存的原子操作,redis扣减库存同样适用这个思路,为了解决上面的问题,代码优化如下:
boolean exist = redisClient.queryJoined(productId,userId);
if(exist) {
return -1;
}
if(redisClient.incrby(productId, -1)<0) {
return 0;
}
redisClient.add(productId,userId);
return 1;
该代码主要流程如下:
这个方案已经比较优雅了,但是还不够好。
如果在高并发场景中,有多个请求同时扣减库存,大多数请求的incrby操作之后,结果都会小于0。
虽说,库存出现负数,不会出现超卖的问题。但由于这里是预减库存,如果负数值负的太多的话,后面万一要回退库存时,就会导致库存不准。
那么,有没有更好的方案呢?
Redis在2.6版本推出了 Lua 脚本功能,允许开发者使用Lua语言编写脚本传到Redis中执行。
使用Lua脚本的好处如下:
Go语言要执行lua脚本也是很简单的,有很多依赖库可以使用:
上述lua代码的流程如下:
上文咱们提到过,秒杀的数据获取流程:
大家试想一下,如果在高并发下,有大量的请求都去查一个缓存中不存在的商品,这些请求都会直接打到数据库。数据库由于承受不住压力,而直接挂掉。
那么如何解决这个问题呢?
这就需要用redis分布式锁了。
下面带着大家详解一下分布式锁
使用redis的分布式锁,首先想到的是setNx命令。
Redis Setnx(SET if Not eXists) 命令在指定的 key 不存在时,为 key 设置指定的值。
if (redis.setnx(lockKey, val) == 1) {
redis.expire(lockKey, timeout);
}
用该命令可以加锁,但和后面的设置超时时间是分开的,并非原子操作。
假如加锁成功了,但是设置超时时间失败了,该lockKey就变成永不失效的了。在高并发场景中,该问题会导致非常严重的后果。
那么,有没有保证原子性的加锁命令呢?
使用redis的set命令,它可以指定多个参数。
result,err := redis.set(lockKey, requestId, "NX", "PX", expireTime);
if err!=nil{
panic(err)
}
if ("OK".equals(result)) {
return true;
}
return false;
其中:
由于该命令只有一步,所以它是原子操作。
细心的小伙伴可能注意到了一个问题:在加锁时,既然已经有了lockKey锁标识,为什么还需要记录requestId呢?
答:requestId是在释放锁的时候用的。
if (redis.get(lockKey).equals(requestId)) {
redis.del(lockKey);
return true;
}
return false;
在释放锁的时候,只能释放本次请求加的锁,不允许释放其他请求加的锁。
这里为什么要用requestId,用userId不行吗?
如果用userId的话,假设本次请求流程走完了,准备删除锁。此时,巧合另外一个请求使用相同的userId加锁成功。而本次请求删除锁的时候,删除的其实是本应该加锁成功的锁(新的请求的锁),所以不我们不能以userId为加锁标识,而应该用每次的requestId为加锁标识。
当然使用lua脚本也能避免该问题,它能保证原子操作:查询锁是否存在和删除锁具有原子性。
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del', KEYS[1])
else
return 0
end
上面的加锁方法看起来好像没有问题,但如果你仔细想想,如果有1万个请求同时去竞争那把锁,可能只有一个请求是成功的,其余的9999个请求都会失败。
在秒杀场景下,会有什么问题?
答:每1万个请求,有1个成功。再1万个请求,有1个成功。如此下去,直到库存不足。这就变成均匀分布的秒杀了,跟我们想象中的不一样。
如何解决这个问题呢?
其实也很简单:使用自旋锁即可。
自旋锁的思路如下:
我们都知道在真实的秒杀场景中,有三个核心流程:
而这三个核心流程中,真正并发量大的是秒杀功能,下单和支付功能实际并发量很小。
所以,我们在设计秒杀系统时,有必要把下单和支付功能从秒杀的主流程中拆解出来。
MQ异步处理了解一下:特别是下单功能要做成mq异步处理的。而支付功能,比如支付宝支付,是业务场景本身就是异步的。
于是,秒杀后下单的流程变成如下:
如果使用mq,需要关注以下几个问题:
秒杀成功了,向MQ发送下单消息的时候,有可能会失败。
原因有很多,比如:网络问题、broker挂了、mq服务器等问题。这些情况,都可能会造成消息丢失。
那么,如何防止消息丢失呢?
加一张消息发送表就可以了。
其流程如下:
如果生产者把消息写入消息发送表之后,再发送mq消息到mq服务端的过程中失败了,造成了消息丢失。
这时候,要如何处理呢?
答:使用job,增加重试机制。用job每隔一段时间去查询消息发送表中状态为待处理的数据,然后重新发送mq消息。
一般情况下消费者在消费消息,做ACK应答的时候,如果网络超时,本身就可能会消费重复的消息。
ACK应答也称为确认消息应答,是在计算机网上中通信协议的一部分,是设备或是进程发出的消息,回复已收到数据。
由于我们前面引入了消息发送重试机制,会导致消费者重复消费消息的概率进一步增大。
那么,如何解决重复消费消息的问题呢?
答案也很简单:加一张消息处理表即可。
消费者读到消息之后,先判断一下消息处理表,是否存在该消息,如果存在,表示是重复消费,则直接返回。
如果不存在,则进行下单操作,接着将该消息写入消息处理表中,再返回。
有个非常关键的问题,需要大家注意:下单和写消息处理表,要放在同一个事务中,保证原子操作。
上面这套方案表面上看起来没有问题,但如果出现了消息消费失败的情况。比如:由于某些原因,消息消费者下单一直失败,一直不能回调状态变更接口,这样job会不停的重试发消息。最后,会产生大量的垃圾消息。
那么,如何解决这个问题呢?
每次在job重试时,需要先判断一下消息发送表中该消息的发送次数是否达到最大限制,如果达到了,则直接返回。如果没有达到,则将消息发送次数加1,然后再发送消息。
这样如果出现异常,只会产生少量的垃圾消息,不会影响到正常的业务。
通常情况下,如果用户秒杀成功了,下单之后,在30分钟之内还未完成支付的话,该订单会被自动取消,回退库存。
那么,在30分钟内未完成支付,订单被自动取消的功能,要如何实现呢?
我们首先想到的可能是job,因为它比较简单。
但job有个问题,需要每隔一段时间处理一次,实时性不太好。
还有更好的方案?
肯定是有的:使用延迟队列即可。比如:RocketMQ,自带了延迟队列的功能。
我们再来梳理一下流程:
注意:在我们的业务开发中,当用户完成支付之后,会修改订单状态为已支付。这个千万不要忘记!
做秒杀活动不担心真实用户多,担心的是:
有些高手,并不会像我们一样老老实实,通过秒杀页面点击秒杀按钮,抢购商品。他们可能在自己的服务器上,模拟正常用户登录系统,跳过秒杀页面,直接调用秒杀接口。
如果是我们手动操作,一般情况下,一秒钟只能点击一次秒杀按钮。
但是如果是服务器,一秒钟可以请求成上千接口。
这种差距实在太明显了,如果不做任何限制,绝大部分商品可能是被机器抢到,而不是正常用户,这就违背了搞秒杀活动的初衷。
所以,我们有必要识别这些非法请求,做一些限制。那么,我们该如何限制这些非法请求呢?
为了防止某个用户,请求接口次数过于频繁,可以只针对该用户做限制。
限制同一个用户id,比如每分钟只能请求5次接口。
有时候只对某个用户限流是不够的,有些高手可以模拟多个用户请求,这种nginx就没法识别了。
这时需要加同一ip限流功能。
限制同一个ip,比如每分钟只能请求5次接口。
但这种限流方式可能会有误伤的情况,比如同一个公司或网吧的出口ip是相同的,如果里面有多个正常用户同时发起请求,有些用户可能会被限制住。
别以为限制了用户和ip就万事大吉,有些高手甚至可以使用代理,每次都请求都换一个ip。
这时可以限制请求的接口总次数。
在高并发场景下,这种限制对于系统的稳定性是非常有必要的。
但可能由于有些非法请求次数太多,达到了该接口的请求上限,而影响其他的正常用户访问该接口。一般我们对接口限流会设置时间,超过一段时间后则重新开放。
相对于上面三种方式,加验证码的方式可能更精准一些,同样能限制用户的访问频次,但好处是不会存在误杀的情况。
注意:验证码一般是一次性的,同一个验证码只允许使用一次,不允许重复使用。
普通验证码,由于生成的数字或者图案比较简单,可能会被破解。
优点是生成速度比较快,缺点是有安全隐患。
移动滑块,虽然它生成速度比较慢,但比较安全,是目前各大互联网公司的首选。也有不少三方平台推出了这套服务,可以直接使用。
上面说的加验证码虽然可以限制非法用户请求,但是有些影响用户体验。用户点击秒杀按钮前,还要先输入验证码,流程显得有点繁琐,秒杀功能的流程不是应该越简单越好吗?
其实,有时候达到某个目的,不一定非要通过技术手段,通过业务手段也一样。
12306刚开始的时候,全国人民都在同一时刻抢火车票,由于并发量太大,系统经常挂。后来,重构优化之后,将购买周期放长了,可以提前20天购买火车票,并且可以在9点、10、11点、12点等整点购买火车票。调整业务之后(当然技术也有很多调整),将之前集中的请求,分散开了,一下子降低了用户并发量。
同样的,我们的秒杀系统也可以借鉴12306的方案,站在业务的角度有针对性的做优化,比如:
上面的内容也呼应了一下开篇,秒杀场景除了站在技术的角度考虑,也需要站在业务的角度去考虑。
除了上面提到的“静态化”、“Redis缓存”、“分布式锁”、“限流”等。数据库层隔离也是非常重要的。
针对秒杀系统可能会影响已经正常运行的其他数据库的情况,我们需要考虑“数据库隔离设计”。常用以下三种方法:分表分库、数据隔离、数据合并。
数据库很容易产生性能瓶颈,导致数据库的活跃连接数增加,一旦达到连接数的阈值,会出现应用服务无连接可用,造成灾难性后果。
我们可以先从代码、SQL语句、索引这几个方面着手优化,如果没有优化空间了,就要考虑分库分表了。
以我们的经验,Mysql单表推荐的存储量是500万条记录左右。如果估算超过这个阈值,就建议做分表。
如果服务的链接数较多,就建议进行分库操作。
这也是我们做秒杀系统最大的经验分享:秒杀系统使用的关系型数据库,绝大多数是多操作,再者是插入,只有少部分修改,几乎没有删除操作。建议用专门的表来存放数据,不建议使用业务系统正在使用的表来存放秒杀相关的数据。
前文也有提到,数据隔离是必须的,万一秒杀系统出了问题,不能影响正常业务系统。
表的设计,除了自增ID之外,最好不要设置其他主键,以保证能够快速插入。
如果我们秒杀系统是用的专用表存储,在秒杀活动结束后,需要将其和现有数据进行合并。
(交易已经完成,合并的目的是为了方便后续查询)
这个合并可以根据具体情况来做,对于那些“只读”的数据,可以只导入到专门负责读的数据库或者NoSQL数据库中即可。
对于秒杀系统,上线之前进行压力测试是必不可少的,不仅能够帮助我们优化设计,更重要的能够检测出系统崩溃的边缘及系统的极限在哪里。
只有这样,我们才能合理的设置流量上限,把多余的流量主动抛弃掉,进而保证系统的稳定性。
简单来说:在保证服务器资源不变的情况下,网络请求不断做加法。
每次秒杀活动评估要使用多少服务器资源,承受多少请求。可以通过不断加压的方式,直到系统接近崩溃或者真正崩溃。
如下图所示:
负压力测试如下图所示,也很好理解:在系统正常运行的情况下,逐渐减少支撑系统的服务器资源,观察什么时候系统无法在支撑正常的业务请求。
知道有哪些测试方法还远远不够,下面介绍的压测步骤才是最重要的内容。
为大家分享8个测试步骤,不止是秒杀系统,其他需要压测的场景也可以按照这个思路进行测试:
压力测试和性能测试不同,压力测试的目标是什么时候系统会接近崩溃,比如需要支持100万的访问量,测试出性能阈值。
二八原则大家一定要知道,压力测试也是有重点的,系统中只有20%的功能是最常用的,比如秒杀接口、下单、扣减库存。要集中火力测试常用的功能,高度还原真实场景。
和上面观点一样,不是每个服务都有高负载,测试时要重点关注高负载的服务,真实场景中服务的负载一定是波动的,并且不是均匀分布的。
搭建环境要和生产环境保持一致。
提前确定好要重点监测的参数指标,比如:CPU负载、内存使用率、系统吞吐量、带宽阈值等
根据目标系统、关键组件、用负载进行测试、返回监测点的数据。
针对测试的目的,对关键服务的压力测试数据进行分析,得出这些服务的承受上限在哪里?
对有波动的负载或者大负载的的服务进行数据分析,明确优化的方向。
秒杀系统的项目实战欢迎加入我的学习圈子,邀你进项目组。
总体来说,秒杀系统是十分复杂的,我们要根据自身的情况,选择合适的架构。这篇文章比较系统的介绍了秒杀场景中常见的问题和解决方案。咱们再回顾一下开篇的思维导图:
最后再给大家3个建议:
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