如何设计一个秒杀系统？

Posted 2023-03-31 挖你家服务器电缆

核心两个问题：

并发读
并发写

秒杀整体架构：稳准快
稳：系统架构高可用，保障活动顺利完成
准：不超卖
快：rt低，整体链路协同优化

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高性能：
涉及大量秒杀的并发读和并发写，如何支持高并发？
1.设计数据动静分离
2.热点的发现与隔离
3.请求的削峰与分层过滤
4.服务端的极致优化

一致性：
核心：如何设计秒杀减库存方案

高可用：
planB兜底

设计秒杀系统的5个架构原则：4要1不要
1.数据尽量少
1.1 用户请求数据能少就少，请求的数据包括上传给系统的数据和系统返回给用户的数据（网页页面数据），由于数据在网络上传输需要时间，其次不管是请求数据还是返回数据都需要服务器做处理，比如序列化、压缩、字符编码等等，这些处理都是非常消耗cpu的行为，所以减少传输的数据量可以显著的减少cpu的使用。例如简化秒杀页面大小，去掉不必要的页面装修效果等等。
1.2 依赖的数据越少越好，很多客户端/前端同学希望尽可能调用少的接口获取更多的信息，没有按需请求，如页面仅展示歌曲信息，但接口除去歌曲信息之外，还返回了标签、风格等等不必要的信息，调用其他服务会涉及序列化和反序列化，这也是cpu一大杀手，同时整个请求的rt也会上升，rt慢了，机器负载load也会上升，引起连锁反应。

2.请求数尽量少
用户请求的页面返回后，浏览器渲染依赖多个css/javascript/图片等等文件，这类请求相比起页面所需的核心数据，将其定义为“额外请求”（不需要每次重新请求下载，定值），可以通过合并css文件和JavaScript文件，把多个 JavaScript 文件合并成一个文件，在 URL 中用逗号隔开（https://g.xxx.com/tm/xx-b/4.0.94/mods/??module-preview/index.xtpl.js,module-jhs/index.xtpl.js,module-focus/index.xtpl.js）。这种方式在服务端仍然是单个文件各自存放，只是服务端会有一个组件解析这个 URL，然后动态把这些文件合并起来一起返回。

3.路径要尽量短
把多个相互强依赖的应用合并部署在一期，把远程RPC调用变成JVM内部之间的方法调用，假如节点服务可用性是99.9%，假如一次请求经过五个节点，那么整个请求的可用性就变成了99.9%的5次方，约等于99.5%。

4.依赖尽量少
简单说就是我们要对系统依赖的服务按照重要性进行分级，比如getSongs获取歌曲信息接口，那么歌曲服务就是0级，艺人/专辑信息数据1级，标签/曲风流派等服务属于2级，在大促期间，可以对非0级的服务进行降级，保障核心服务的稳定性。

5.分布式，不要有单点
单点意味着无备份，风险不可控，对于任何服务都要分布式化，避免将服务的状态和机器绑定。

秒杀系统演绎历程

1W QPS
商品购买页 -> 服务端 -> 数据库增删改查

10W QPS
核心：秒杀系统升级
系统部署上做独立集群，抵挡流量洪峰
库存数据放入缓存，提高读性能
增加秒杀答题，防止有秒杀器抢单

100W QPS
页面动静分离，尽可能减少页面刷新量和动态资源请求。
服务端对秒杀商品进行本地缓存，不需要再调用依赖系统的后台服务获取数据，甚至不需要去公共的缓存集群中查询数据，进一步降低服务端压力
增加系统限流保护
通过策略的方式减少系统压力

如何做好动静分离？有哪些方案可选
如何区分动态数据和静态数据？
主要区别是看页面中输出的数据是否和URL、浏览器、时间、地域相关，以及是否含有Cookie等私密数据，即页面展示的数据中是否包含个性化的数据。举两个例子：
1.新闻类的网站，千人一面，用户、时间、地域等信息的改变并不会影响页面的展示，这类数据数据静态页面。
2.手淘首页，千人千面，基本全是个性化的数据，这类页面属于动态页面。

如何对静态数据做缓存？
1.静态化改造，简而言之是直接缓存http连接，比如静态数据存入CDN，将内容放置到离用户最近的服务器中，减少骨干网和城域网之间的网络时延。
2.选择一种合适的方式缓存静态数据，不同语言写的Cache处理缓存的效率各不相同，java系统本身不适合处理大量连接请求，每个连接消耗的内存较多，servlet容器解析http协议较慢，可以不在java系统这一层做缓存，而在Web服务器上做，屏蔽java语言层面的一些弱点，可以在nginx，apache层进行全局管控，Web服务器也更擅长处理大并发的静态文件请求。

动静分离的几种架构方案？
前面通过改造把静态数据和动态数据做了分离，那么如何在系统架构上进一步对这些动态和静态数据重新组合，再完整的输出给用户呢？
三种方案可选：
1.实体机单机部署
2.统一cache层
3.上cdn
除此之外，还可以：
1.整个页面缓存在用户的浏览器中
2.实际有效请求减少，只是用户对刷新抢宝按钮的点击

静态资源走cdn缓存
动态内容服务端cache

第三章 有针对性的处理好系统的热点数据

什么是热点？
热点分为热点操作和热点数据
热点操作：
如加入购物车、商品详情、交易下单等等
热点数据：
如热门商品等等

如何处理热点数据？
处理热点数据通常有几种思路：一是优化，二是限制，三是隔离。
优化：
1.缓存lru
2.例如对被访问商品的 ID 做一致性 Hash，然后根据 Hash 做分桶，每个分桶设置一个处理队列，这样可以把热点商品限制在一个请求队列里，防止因某些热点商品占用太多的服务器资源，而使其他请求始终得不到服务器的处理资源。(Q：分桶？怎么做)
3.隔离
业务隔离。把秒杀做成一种营销活动，卖家要参加秒杀这种营销活动需要单独报名，从技术上来说，卖家报名后对我们来说就有了已知热点，因此可以提前做好预热。
系统隔离。系统隔离更多的是运行时的隔离，可以通过分组部署的方式和另外 99% 分开。秒杀可以申请单独的域名，目的也是让请求落到不同的集群中。
数据隔离。秒杀所调用的数据大部分都是热点数据，比如会启用单独的 Cache 集群或者 mysql 数据库来放热点数据，目的也是不想 0.01% 的数据有机会影响 99.99% 数据。

第四章 如何做好流量削峰

思路：
无损：排队、答题、分层过滤
有损：限流、机器负载保护等强制措施

排队（简单说就是一步变多步）：
消息队列缓冲瞬时流量
线程池加锁等待
先进先出。先进后出等内存排队算法
请求序列化文件，再顺序读取文件，类似mysql binlog

答题：
功效：防止刷量作弊
延缓请求

分层过滤：尽量减少无用请求，如减少不必要的一致性校验等

第五章 影响性能的因素有哪些？如何提高系统的性能

一般是两个因素：一次响应的服务端耗时和线程数
响应时间一般都是由cpu执行时间和线程等待时间组成，线程等待时间通过测试发现用处不大，因为这个可以通过增加线程数来弥补，主要还是cpu执行时间对性能有真正的影响，因为cpu的执行真正消耗了服务器的资源，如果减少cpu一半的执行时间，就可以增加一倍的qps

需要注意的是：不同的系统对瓶颈关注度不同，例如对于缓存系统而言，制约它的是内存，而对存储型系统来说I/O更容易是瓶颈。
对于秒杀系统而言，瓶颈更多地发生在CPU上

如何优化系统
1.减少编码
java编码运行较慢，是java语言本身所决定的，很多场景下，只要涉及字符串的操作（如输入输出操作，I/O操作）都比较浩cpu资源，无论是磁盘i/o还是网络i/o，因为都需要将字符转换成字节，而这个过程必须转码。
同时，每个字符的编码都需要查表，而这种查表的操作非常耗资源，所以减少字符和字节之间的转换卓有成效。
如何减少编码？提前把一些数据转换成字节，减少静态数据编码转换

2.减少序列化
序列化也是Java性能的一大天敌，因为序列化和编码往往是同时发生的，减少序列化也就减少了编码。
序列化大部分是在RPC中发生的，因此要减少应用之间RPC调用，一种比较常见的方案是合并部署，将多个关联性比较强的应用合并部署，举例来说，就是将两个原本在不同机器上的不同应用合并部署到一台机器上，同一个tomcat中，且不能走本机的socket，这样才能避免序列化的产生。

3.Java极致优化
大部分请求直接在Nginx服务器或者Web代理服务器返回，这样可以减少数据的序列化和反序列化，java层只处理少量数据的动态请求。
减少数据。事实上，有两个地方特别影响性能，一是服务端在处理数据时不可避免地存在字符到字节的相互转化，二是 HTTP 请求时要做 Gzip 压缩，还有网络传输的耗时，这些都和数据大小密切相关。
数据分级。也就是要保证首屏为先、重要信息为先，次要信息则异步加载，以这种方式提升用户获取数据的体验

4.并发读优化
当前这边采用的加锁方案是通过tair去做的，除此之外是否还有其他的方案呢？
应用层LocalCache，在秒杀系统的单机上缓存商品相关的数据。一般划分成动态数据和静态数据分别处理。
静态数据：比如商品标题、描述这些本身不会改变的数据，秒杀前全量推送到秒杀机器上，并一直缓存到秒杀结束。
动态数据：比如库存这类动态数据，会采用”被动失效“的方式缓存一定时间（一般是数秒），失效后再去缓存拉取最新的数据。
这里有个常人无法理解的事情，像库存这种频繁更新的数据，一旦数据不一致，会不会导致超卖？
这就要用到前面介绍的数据的分层校验原则，读的场景可以允许一定的脏数据，因为这里的误判只会到你少量原本无库存的下单请求被误认为有库存，可以等到真正写数据时再保证最终的一致性，通过在数据的高可用性和一致性之间平衡，来解决高并发的数据读取问题。

此外，要做好优化，你还需要做好应用基线，比如性能基线（何时性能突然下降）、成本基线（去年双 11 用了多少台机器）、链路基线（我们的系统发生了哪些变化），你可以通过这些基线持续关注系统的性能，做到在代码上提升编码质量，在业务上改掉不合理的调用，在架构和调用链路上不断的改进。

性能优化的核心就一个字-减

如果还继续减的
1:异步化-减少等待响应的时间
2:降日志-减本地磁盘的交互
3:多级缓存-再减少获取数据路径
4:减功能-非核心功能或后补功能去掉

分库分表，ID路由

第六章 秒杀系统减库存设计的核心逻辑

购买一般分两步：下单和付款

减库存一般有如下几个方式：
下单减库存：可能存在的问题是恶意下单，从而影响卖家的商品销售
付款减库存：可能存在的问题：库存超卖，因为下单和付款是割裂的，可能会造成很多卖家下单成功，导致下单数量超出库存，只能在付款时提示失败，影响购物体验。
预扣库存：将两次操作合并，下单时先预扣，在规定时间内不付款再释放库存，即采用“预扣库存”的方式，虽然一定程度上缓解了上面的问题，但是针对恶意下单的情况，虽然把有效付款时间设置为10分钟，但是恶意买家完全可以十分钟后再次下单，或者采用一次下单很多件的方式来把库存减完。针对这种情况，解决办法还是要结合安全和反作弊措施制止。
例如，给经常下单不付款的买家进行识别打标（可以在被打标的买家下单时不减库存）、给某些类目设置最大购买件数（例如，参加活动的商品一人最多只能买 3 件），以及对重复下单不付款的操作进行次数限制等。针对“库存超卖”这种情况，在 10 分钟时间内下单的数量仍然有可能超过库存数量，遇到这种情况我们只能区别对待：对普通的商品下单数量超过库存数量的情况，可以通过补货来解决；但是有些卖家完全不允许库存为负数的情况，那只能在买家付款时提示库存不足。

大型秒杀系统中如何减库存？
确定适合的场景:下单减库存

下单减库存在数据一致性上，主要就是保证大并发请求时库存数据不能为负数，也就是要保证数据库中的库存字段值不能为负数，一般有以下几种解决方案：
在应用程序中通过事务来判断，保证减库存后库存不能为负数；
直接设置数据库的字段数据为无符号证书，这样减库存字段值小于零时会直接执行SQL语句报错；
使用case when 判断语句
UPDATE item SET inventory = CASE WHEN inventory >= xxx THEN inventory-xxx ELSE inventory END

秒杀系统减库存的极致优化
后续整理

第七章 Plan B

高可用建设应该从哪里着手

架构阶段：
架构阶段主要考虑系统的可扩展性和容错性，要避免系统出现单点问题，做好多机房单元化部署，异地容灾。在系统不同阶段选择不同的设计结构，比如qps只有10时，可能简单增删改查就足够了，当系统流量上去之后，需要分布式以及微服务拆分等措施来保障系统的高可用性。

编码阶段：
编码阶段最重要的是保障代码的健壮性，有防御式编程的思想，例如涉及远程调用问题时，设置合理的超时退出机制，防止被其他系统拖垮，也要对调用的返回结果集有预期，防止结果超出系统处理范围，对自己负责的系统要有足够的了解，哪些服务，哪些数据是核心服务、核心数据，哪些是可被降级、异常可被允许的，哪些服务需要兜底数据，保障服务24小时正常可用。

测试阶段：
要保障测试用例的覆盖度，常用极端数据对系统健壮性进行测试。

发布阶段：
分批发布，安全生产环境小流量验证，发布阶段要支持回滚机制。

运行阶段：
监控是核心，要能够及时发现并定位问题。

故障阶段：
故障发生时首先要考虑的是止损，先止损，再恢复服务，最后再对数据清洗。

特殊时期：
如大促、秒杀等场景，参考全篇。

当应用无法承受大流量洪峰时，该如何针对运行阶段进行处理？
三种方式：降级、限流和拒绝服务

1.降级
降级预案制定的前提是，我们要对自己负责的系统足够熟悉，包括核心功能、依赖的第三方服务、依赖服务按照重要登记进行分层划分。降级一般分为两种类型：业务降级、数据降级和服务降级。
业务降级是针对的是某个产品而言，将部分产品功能进行降级，比如淘宝双十一大促时节，核心流量聚焦在少数核心功能上，此时可以将部分非核心产品下线，提升系统抵抗力。
数据降级指的是返回数据总量进行一定程度上的降级、比如返回歌曲总数由50条降级为10条，数据量的减少也就意味着数据编码耗时会降低、线程处理时间降低，cpu降低。
服务降级指的是系统依赖的第三方服务进行降级，比如获取商品详情，本身商品会获取除商品本身之外的其他附加信息（如商品评价，依赖评论系统），这些第三方服务的调用会增加额外的网络开销，同时更多的数据意味着数据序列化和编码也需要耗费更多的cpu，影响性能。
所以在系统达到一定容量时，我们需要针对不同的系统设立不同的“预案”，它是一个有目的，有计划的执行过程，可以通过预案系统来实现降级。

2.限流
相比起降级这种方式，限流行为更加极端一些，当系统容量到达瓶颈时，降级也无法解决问题，此时可以通过限制一部分流量来保护系统。
系统上线前，我们必须要通过压测提前对自己的系统水位有一个预估，将限流阈值控制在这个水位线之下。
常见的限流手段有基于QPS和线程数的限流。可以在java层做，更好的是在上层web服务器，如nginx中做限流。

3.拒绝服务
拒绝服务是抵挡流量洪峰的最极端的一种手段，用以防止最坏的情况发生，防止因服务器压垮而长时间彻底无法提供服务。比如在nginx上设置过载保护，当机器负载达到某个值时直接拒绝http的请求，并返回503错误码。

nigin网关层 + lua脚本，读取tair/redis/diamond，限流动态化配置
抽奖系统防超卖
第一步，拿商品key
第二步，写db，key是唯一主键，写中奖纪录时其他key写不进去
淘宝的直接db减库存保证，问题是商品量大，并发高时，写数据库只写这一行的数据，db压力非常大，排队无队可排

一个key，1000万人，怎么搞？
一个key，分到1000个桶，999个是空的，只要奖品发出去就ok，不在乎先后时间顺序

vip商品量大的，通过redis原子锁去搞

如何设计一个优秀的秒杀系统？

前言

如果问起秒杀系统如何设计，相信都能说出个123来，但是如果细究其中的细节点，很多人估计就无法很快的打上来了。本文从六个方面，来简要讲一下秒杀系统要如何设计，应该主要哪些事情。

01 | 设计秒杀系统时应该注意的5个架构原则

说起秒杀，我想你肯定不陌生，这两年，从双十一购物到春节抢红包，再到 12306 抢火车票，“秒杀”的场景处处可见。简单来说，秒杀就是在同一个时刻有大量的请求争抢购买同一个商品并完成交易的过程，用技术的行话来说就是大量的并发读和并发写。不管是哪一门语言，并发都是程序员们最为头疼的部分。

同样，对于一个软件而言也是这样，你可以很快增删改查做出一个秒杀系统，但是要让它支持高并发访问就没那么容易了。比如说，如何让系统面对百万级的请求流量不出故障？如何保证高并发情况下数据的一致性写？完全靠堆服务器来解决吗？这显然不是最好的解决方案。

在我看来，秒杀系统本质上就是一个满足大并发、高性能和高可用的分布式系统。今天，我们就来聊聊，如何在满足一个良好架构的分布式系统基础上，针对秒杀这种业务做到极致的性能改进。

架构原则：“4 要 1 不要

”如果你是一个架构师，你首先要勾勒出一个轮廓，想一想如何构建一个超大流量并发读写、高性能，以及高可用的系统，这其中有哪些要素需要考虑。我把这些要素总结为“4 要 1 不要”。
** 1. 数据要尽量少**
所谓“数据要尽量少”，首先是指用户请求的数据能少就少。请求的数据包括上传给系统的数据和系统返回给用户的数据（通常就是网页）。为啥“数据要尽量少”呢？因为首先这些数据在网络上传输需要时间，其次不管是请求数据还是返回数据都需要服务器做处理，而服务器在写网络时通常都要做压缩和字符编码，这些都非常消耗 CPU，所以减少传输的数据量可以显著减少 CPU 的使用。例如，我们可以简化秒杀页面的大小，去掉不必要的页面装修效果，等等。其次，“数据要尽量少”还要求系统依赖的数据能少就少，包括系统完成某些业务逻辑需要读取和保存的数据，这些数据一般是和后台服务以及数据库打交道的。调用其他服务会涉及数据的序列化和反序列化，而这也是 CPU 的一大杀手，同样也会增加延时。而且，数据库本身也容易成为一个瓶颈，所以和数据库打交道越少越好，数据越简单、越小则越好。

** 2. 请求数要尽量少**
用户请求的页面返回后，浏览器渲染这个页面还要包含其他的额外请求，比如说，这个页面依赖的 CSS/JavaScript、图片，以及 Ajax 请求等等都定义为“额外请求”，这些额外请求应该尽量少。因为浏览器每发出一个请求都多少会有一些消耗，例如建立连接要做三次握手，有的时候有页面依赖或者连接数限制，一些请求（例如 JavaScript）还需要串行加载等。另外，如果不同请求的域名不一样的话，还涉及这些域名的 DNS 解析，可能会耗时更久。所以你要记住的是，减少请求数可以显著减少以上这些因素导致的资源消耗。例如，减少请求数最常用的一个实践就是合并 CSS 和 JavaScript 文件，把多个 JavaScript 文件合并成一个文件，在 URL 中用逗号隔开（https://g.xxx.com/tm/xx-b/4.0.94/mods/??module-preview/index.xtpl.js,module-jhs/index.xtpl.js,module-focus/index.xtpl.js）。这种方式在服务端仍然是单个文件各自存放，只是服务端会有一个组件解析这个 URL，然后动态把这些文件合并起来一起返回。

3. 路径要尽量短
所谓“路径”，就是用户发出请求到返回数据这个过程中，需求经过的中间的节点数。通常，这些节点可以表示为一个系统或者一个新的 Socket 连接（比如代理服务器只是创建一个新的 Socket 连接来转发请求）。每经过一个节点，一般都会产生一个新的 Socket 连接。然而，每增加一个连接都会增加新的不确定性。从概率统计上来说，假如一次请求经过 5 个节点，每个节点的可用性是 99.9% 的话，那么整个请求的可用性是：99.9% 的 5 次方，约等于 99.5%。所以缩短请求路径不仅可以增加可用性，同样可以有效提升性能（减少中间节点可以减少数据的序列化与反序列化），并减少延时（可以减少网络传输耗时）。要缩短访问路径有一种办法，就是多个相互强依赖的应用合并部署在一起，把远程过程调用（RPC）变成 JVM 内部之间的方法调用。在《大型网站技术架构演进与性能优化》一书中，我也有一章介绍了这种技术的详细实现。

4. 依赖要尽量少
所谓依赖，指的是要完成一次用户请求必须依赖的系统或者服务，这里的依赖指的是强依赖。举个例子，比如说你要展示秒杀页面，而这个页面必须强依赖商品信息、用户信息，还有其他如优惠券、成交列表等这些对秒杀不是非要不可的信息（弱依赖），这些弱依赖在紧急情况下就可以去掉。要减少依赖，我们可以给系统进行分级，比如 0 级系统、1 级系统、2 级系统、3 级系统，0 级系统如果是最重要的系统，那么 0 级系统强依赖的系统也同样是最重要的系统，以此类推。注意，0 级系统要尽量减少对 1 级系统的强依赖，防止重要的系统被不重要的系统拖垮。例如支付系统是 0 级系统，而优惠券是 1 级系统的话，在极端情况下可以把优惠券给降级，防止支付系统被优惠券这个 1 级系统给拖垮。

5. 不要有单点
系统中的单点可以说是系统架构上的一个大忌，因为单点意味着没有备份，风险不可控，我们设计分布式系统最重要的原则就是“消除单点”。那如何避免单点呢？我认为关键点是避免将服务的状态和机器绑定，即把服务无状态化，这样服务就可以在机器中随意移动。如何那把服务的状态和机器解耦呢？这里也有很多实现方式。例如把和机器相关的配置动态化，这些参数可以通过配置中心来动态推送，在服务启动时动态拉取下来，我们在这些配置中心设置一些规则来方便地改变这些映射关系。应用无状态化是有效避免单点的一种方式，但是像存储服务本身很难无状态化，因为数据要存储在磁盘上，本身就要和机器绑定，那么这种场景一般要通过冗余多个备份的方式来解决单点问题。前面介绍了这些设计上的一些原则，但是你有没有发现，我一直说的是“尽量”而不是“绝对”？我想你肯定会问是不是请求最少就一定最好，我的答案是“不一定”。我们曾经把有些 CSS 内联进页面里，这样做可以减少依赖一个 CSS 的请求从而加快首页的渲染，但是同样也增大了页面的大小，又不符合“数据要尽量少”的原则，这种情况下我们为了提升首屏的渲染速度，只把首屏的 HTML 依赖的 CSS 内联进来，其他 CSS 仍然放到文件中作为依赖加载，尽量实现首屏的打开速度与整个页面加载性能的平衡。所以说，架构是一种平衡的艺术，而最好的架构一旦脱离了它所适应的场景，一切都将是空谈。我希望你记住的是，这里所说的几点都只是一个个方向，你应该尽量往这些方向上去努力，但也要考虑平衡其他因素。
不同场景下的不同架构案例
前面我说了一些架构上的原则，那么针对“秒杀”这个场景，怎样才是一个好的架构呢？下面我以淘宝早期秒杀系统架构的演进为主线，来帮你梳理不同的请求体量下，我认为的最佳秒杀系统架构。

前面我说了一些架构上的原则，那么针对“秒杀”这个场景，怎样才是一个好的架构呢？下面我以淘宝早期秒杀系统架构的演进为主线，来帮你梳理不同的请求体量下，我认为的最佳秒杀系统架构。如果你想快速搭建一个简单的秒杀系统，只需要把你的商品购买页面增加一个“定时上架”功能，仅在秒杀开始时才让用户看到购买按钮，当商品的库存卖完了也就结束了。这就是当时第一个版本的秒杀系统实现方式。但随着请求量的加大（比如从 1w/s 到了 10w/s 的量级），这个简单的架构很快就遇到了瓶颈，因此需要做架构改造来提升系统性能。
这些架构改造包括：

• 把秒杀系统独立出来单独打造一个系统，这样可以有针对性地做优化，例如这个独立出来的系统就减少了店铺装修的功能，减少了页面的复杂度；
• 在系统部署上也独立做一个机器集群，这样秒杀的大流量就不会影响到正常的商品购买集群的机器负载；
• 将热点数据（如库存数据）单独放到一个缓存系统中，以提高“读性能”；
• 增加秒杀答题，防止有秒杀器抢单。

此时的系统架构变成了下图这个样子。最重要的就是，秒杀详情成为了一个独立的新系统，另外核心的一些数据放到了缓存（Cache）中，其他的关联系统也都以独立集群的方式进行部署。

然而这个架构仍然支持不了超过 100w/s 的请求量，所以为了进一步提升秒杀系统的性能，我们又对架构做进一步升级，
比如：

• 对页面进行彻底的动静分离，使得用户秒杀时不需要刷新整个页面，而只需要点击抢宝按钮，借此把页面刷新的数据降到最少；
• 在服务端对秒杀商品进行本地缓存，不需要再调用依赖系统的后台服务获取数据，甚至不需要去公共的缓存集群中查询数据，这样不仅可以减少系统调用，而且能够避免压垮公共缓存集群。
• 增加系统限流保护，防止最坏情况发生。

经过这些优化，系统架构变成了下图中的样子。在这里，我们对页面进行了进一步的静态化，秒杀过程中不需要刷新整个页面，而只需要向服务端请求很少的动态数据。而且，最关键的详情和交易系统都增加了本地缓存，来提前缓存秒杀商品的信息，热点数据库也做了独立部署，等等。

从前面的几次升级来看，其实越到后面需要定制的地方越多，也就是越“不通用”。例如，把秒杀商品缓存在每台机器的内存中，这种方式显然不适合太多的商品同时进行秒杀的情况，因为单机的内存始终有限。所以要取得极致的性能，就要在其他地方（比如，通用性、易用性、成本等方面）有所牺牲。

02 | 如何才能做好动静分离？有哪些方案可选？

数据的动静分离。不知道你之前听过这个解决方案吗？不管你有没有听过，我都建议你先停下来思考动静分离的价值。如果你的系统还没有开始应用动静分离的方案，那你也可以想想为什么没有，是之前没有想到，还是说业务体量根本用不着？不过我可以确信地说，如果你在一个业务飞速发展的公司里，并且你在深度参与公司内类秒杀类系统的架构或者开发工作，那么你迟早会想到动静分离的方案。为什么？很简单，秒杀的场景中，对于系统的要求其实就三个字：快、准、稳。

那怎么才能“快”起来呢？我觉得抽象起来讲，就只有两点，一点是提高单次请求的效率，一点是减少没必要的请求。今天我们聊到的“动静分离”其实就是瞄着这个大方向去的。
不知道你是否还记得，最早的秒杀系统其实是要刷新整体页面的，但后来秒杀的时候，你只要点击“刷新抢宝”按钮就够了，这种变化的本质就是动静分离，分离之后，客户端大幅度减少了请求的数据量。这不自然就“快”了吗？

何为动静数据

那到底什么才是动静分离呢？所谓“动静分离”，其实就是把用户请求的数据（如 HTML 页面）划分为“动态数据”和“静态数据”。

简单来说，“动态数据”和“静态数据”的主要区别就是看页面中输出的数据是否和 URL、浏览者、时间、地域相关，以及是否含有 Cookie 等私密数据。比如说：

很多媒体类的网站，某一篇文章的内容不管是你访问还是我访问，它都是一样的。所以它就是一个典型的静态数据，但是它是个动态页面。

我们如果现在访问淘宝的首页，每个人看到的页面可能都是不一样的，淘宝首页中包含了很多根据访问者特征推荐的信息，而这些个性化的数据就可以理解为动态数据了。

这里再强调一下，我们所说的静态数据，不能仅仅理解为传统意义上完全存在磁盘上的 HTML 页面，它也可能是经过 Java 系统产生的页面，但是它输出的页面本身不包含上面所说的那些因素。也就是所谓“动态”还是“静态”，并不是说数据本身是否动静，而是数据中是否含有和访问者相关的个性化数据。

还有一点要注意，就是页面中“不包含”，指的是“页面的 HTML 源码中不含有”，这一点务必要清楚。理解了静态数据和动态数据，我估计你很容易就能想明白“动静分离”这个方案的来龙去脉了。分离了动静数据，我们就可以对分离出来的静态数据做缓存，有了缓存之后，静态数据的“访问效率”自然就提高了。
那么，怎样对静态数据做缓存呢？我在这里总结了几个重点。

第一，你应该把静态数据缓存到离用户最近的地方。静态数据就是那些相对不会变化的数据，因此我们可以把它们缓存起来。缓存到哪里呢？常见的就三种，用户浏览器里、CDN 上或者在服务端的 Cache 中。你应该根据情况，把它们尽量缓存到离用户最近的地方。

第二，静态化改造就是要直接缓存 HTTP 连接。相较于普通的数据缓存而言，你肯定还听过系统的静态化改造。静态化改造是直接缓存 HTTP 连接而不是仅仅缓存数据，如下图所示，Web 代理服务器根据请求 URL，直接取出对应的 HTTP 响应头和响应体然后直接返回，这个响应过程简单得连 HTTP 协议都不用重新组装，甚至连 HTTP 请求头也不需要解析。

第三，让谁来缓存静态数据也很重要。不同语言写的 Cache 软件处理缓存数据的效率也各不相同。以 Java 为例，因为 Java 系统本身也有其弱点（比如不擅长处理大量连接请求，每个连接消耗的内存较多，Servlet 容器解析 HTTP 协议较慢），所以你可以不在 Java 层做缓存，而是直接在 Web 服务器层上做，这样你就可以屏蔽 Java 语言层面的一些弱点；而相比起来，Web 服务器（如 Nginx、Apache、Varnish）也更擅长处理大并发的静态文件请求。

如何做动静分离的改造

理解了动静态数据的“why”和“what”，接下来我们就要看“how”了。我们如何把动态页面改造成适合缓存的静态页面呢？其实也很简单，就是去除前面所说的那几个影响因素，把它们单独分离出来，做动静分离。

下面，我以典型的商品详情系统为例来详细介绍。这里，你可以先打开京东或者淘宝的商品详情页，看看这个页面里都有哪些动静数据。我们从以下 5 个方面来分离出动态内容。

- URL 唯一化。商品详情系统天然地就可以做到 URL 唯一化，比如每个商品都由 ID 来标识，那么 http://item.xxx.com/item.htm?id=xxxx 就可以作为唯一的 URL 标识。为啥要 URL 唯一呢？前面说了我们是要缓存整个 HTTP 连接，那么以什么作为 Key 呢？就以 URL 作为缓存的 Key，例如以 id=xxx 这个格式进行区分。
- 分离浏览者相关的因素。浏览者相关的因素包括是否已登录，以及登录身份等，这些相关因素我们可以单独拆分出来，通过动态请求来获取。
- 分离时间因素。服务端输出的时间也通过动态请求获取。
- 异步化地域因素。详情页面上与地域相关的因素做成异步方式获取，当然你也可以通过动态请求方式获取，只是这里通过异步获取更合适。
- 去掉 Cookie。服务端输出的页面包含的 Cookie 可以通过代码软件来删除，如 Web 服务器 Varnish 可以通过 unset req.http.cookie 命令去掉 Cookie。注意，这里说的去掉 Cookie 并不是用户端收到的页面就不含 Cookie 了，而是说，在缓存的静态数据中不含有 Cookie。

分离出动态内容之后，如何组织这些内容页就变得非常关键了。这里我要提醒你一点，因为这其中很多动态内容都会被页面中的其他模块用到，如判断该用户是否已登录、用户 ID 是否匹配等，所以这个时候我们应该将这些信息 JSON 化（用 JSON 格式组织这些数据），以方便前端获取。

前面我们介绍里用缓存的方式来处理静态数据。而动态内容的处理通常有两种方案：ESI（Edge Side Includes）方案和 CSI（Client Side Include）方案。

ESI 方案（或者 SSI）：即在 Web 代理服务器上做动态内容请求，并将请求插入到静态页面中，当用户拿到页面时已经是一个完整的页面了。这种方式对服务端性能有些影响，但是用户体验较好。

CSI 方案。即单独发起一个异步 JavaScript 请求，以向服务端获取动态内容。这种方式服务端性能更佳，但是用户端页面可能会延时，体验稍差。

动静分离的几种架构方案

前面我们通过改造把静态数据和动态数据做了分离，那么如何在系统架构上进一步对这些动态和静态数据重新组合，再完整地输出给用户呢？这就涉及对用户请求路径进行合理的架构了。根据架构上的复杂度，有 3 种方案可选：实体机单机部署；统一 Cache 层；上 CDN。

方案 1：实体机单机部署

这种方案是将虚拟机改为实体机，以增大 Cache 的容量，并且采用了一致性 Hash 分组的方式来提升命中率。这里将 Cache 分成若干组，是希望能达到命中率和访问热点的平衡。Hash 分组越少，缓存的命中率肯定就会越高，但短板是也会使单个商品集中在一个分组中，容易导致 Cache 被击穿，所以我们应该适当增加多个相同的分组，来平衡访问热点和命中率的问题。这里我给出了实体机单机部署方案的结构图，如下：

实体机单机部署有以下几个优点：
没有网络瓶颈，而且能使用大内存；
既能提升命中率，又能减少 Gzip 压缩；
减少 Cache 失效压力，因为采用定时失效方式，例如只缓存 3 秒钟，过期即自动失效。
这个方案中，虽然把通常只需要虚拟机或者容器运行的 Java 应用换成实体机，优势很明显，它会增加单机的内存容量，但是一定程度上也造成了 CPU 的浪费，因为单个的 Java 进程很难用完整个实体机的 CPU。

另外就是，一个实体机上部署了 Java 应用又作为 Cache 来使用，这造成了运维上的高复杂度，所以这是一个折中的方案。如果你的公司里，没有更多的系统有类似需求，那么这样做也比较合适，如果你们有多个业务系统都有静态化改造的需求，那还是建议把 Cache 层单独抽出来公用比较合理，如下面的方案 2 所示。

方案 2：统一 Cache 层

所谓统一 Cache 层，就是将单机的 Cache 统一分离出来，形成一个单独的 Cache 集群。统一 Cache 层是个更理想的可推广方案，该方案的结构图如下：

**将 Cache 层单独拿出来统一管理可以减少运维成本，同时也方便接入其他静态化系统。此外，它还有一些优点。 **

单独一个 Cache 层，可以减少多个应用接入时使用 Cache 的成本。这样接入的应用只要维护自己的 Java 系统就好，不需要单独维护 Cache，而只关心如何使用即可
统一 Cache 的方案更易于维护，如后面加强监控、配置的自动化，只需要一套解决方案就行，统一起来维护升级也比较方便。
可以共享内存，最大化利用内存，不同系统之间的内存可以动态切换，从而能够有效应对各种攻击。

这种方案虽然维护上更方便了，但是也带来了其他一些问题，比如缓存更加集中，导致：

Cache 层内部交换网络成为瓶颈；
缓存服务器的网卡也会是瓶颈；
机器少风险较大，挂掉一台就会影响很大一部分缓存数据。

要解决上面这些问题，可以再对 Cache 做 Hash 分组，即一组 Cache 缓存的内容相同，这样能够避免热点数据过度集中导致新的瓶颈产生。

方案 3：上 CDN

在将整个系统做动静分离后，我们自然会想到更进一步的方案，就是将 Cache 进一步前移到 CDN 上，因为 CDN 离用户最近，效果会更好。
但是要想这么做，有以下几个问题需要解决。

失效问题。前面我们也有提到过缓存时效的问题，不知道你有没有理解，我再来解释一下。谈到静态数据时，我说过一个关键词叫“相对不变”，它的言外之意是“可能会变化”。比如一篇文章，现在不变，但如果你发现个错别字，是不是就会变化了？如果你的缓存时效很长，那用户端在很长一段时间内看到的都是错的。所以，这个方案中也是，我们需要保证 CDN 可以在秒级时间内，让分布在全国各地的 Cache 同时失效，这对 CDN 的失效系统要求很高。

命中率问题。Cache 最重要的一个衡量指标就是“高命中率”，不然 Cache 的存在就失去了意义。同样，如果将数据全部放到全国的 CDN 上，必然导致 Cache 分散，而 Cache 分散又会导致访问请求命中同一个 Cache 的可能性降低，那么命中率就成为一个问题。

发布更新问题。如果一个业务系统每周都有日常业务需要发布，那么发布系统必须足够简洁高效，而且你还要考虑有问题时快速回滚和排查问题的简便性。

从前面的分析来看，将商品详情系统放到全国的所有 CDN 节点上是不太现实的，因为存在失效问题、命中率问题以及系统的发布更新问题。那么是否可以选择若干个节点来尝试实施呢？答案是“可以”，但是这样的节点**需要满足几个条件： **
靠近访问量比较集中的地区；
离主站相对较远；
节点到主站间的网络比较好，而且稳定；
节点容量比较大，不会占用其他 CDN 太多的资源。

最后，还有一点也很重要，那就是：节点不要太多。基于上面几个因素，选择 CDN 的二级 Cache 比较合适，因为二级 Cache 数量偏少，容量也更大，让用户的请求先回源的 CDN 的二级 Cache 中，如果没命中再回源站获取数据
部署方式如下图所示：

使用 CDN 的二级 Cache 作为缓存，可以达到和当前服务端静态化 Cache 类似的命中率，因为节点数不多，Cache 不是很分散，访问量也比较集中，这样也就解决了命中率问题，同时能够给用户最好的访问体验，是当前比较理想的一种 CDN 化方案。
除此之外，CDN 化部署方案还有以下几个特点：

• 把整个页面缓存在用户浏览器中；
• 如果强制刷新整个页面，也会请求 CDN；
• 实际有效请求，只是用户对“刷新抢宝”按钮的点击。

这样就把 90% 的静态数据缓存在了用户端或者 CDN 上，当真正秒杀时，用户只需要点击特殊的“刷新抢宝”按钮，而不需要刷新整个页面。这样一来，系统只是向服务端请求很少的有效数据，而不需要重复请求大量的静态数据。秒杀的动态数据和普通详情页面的动态数据相比更少，性能也提升了 3 倍以上。

所以“抢宝”这种设计思路，让我们不用刷新页面就能够很好地请求到服务端最新的动态数据。

03 | 二八原则：有针对性地处理好系统的“热点数据”

什么是“热点”

热点分为热点操作和热点数据。所谓“热点操作”，例如大量的刷新页面、大量的添加购物车、双十一零点大量的下单等都属于此类操作。对系统来说，这些操作可以抽象为“读请求”和“写请求”，这两种热点请求的处理方式大相径庭，读请求的优化空间要大一些，而写请求的瓶颈一般都在存储层，优化的思路就是根据 CAP 理论做平衡，这个内容我在“减库存”一文再详细介绍。

而“热点数据”比较好理解，那就是用户的热点请求对应的数据。而热点数据又分为“静态热点数据”和“动态热点数据”

所谓“静态热点数据”，就是能够提前预测的热点数据。例如，我们可以通过卖家报名的方式提前筛选出来，通过报名系统对这些热点商品进行打标。另外，我们还可以通过大数据分析来提前发现热点商品，比如我们分析历史成交记录、用户的购物车记录，来发现哪些商品可能更热门、更好卖，这些都是可以提前分析出来的热点。

所谓“动态热点数据”，就是不能被提前预测到的，系统在运行过程中临时产生的热点。例如，卖家在抖音上做了广告，然后商品一下就火了，导致它在短时间内被大量购买。
由于热点操作是用户的行为，我们不好改变，但能做一些限制和保护，所以本文我主要针对热点数据来介绍如何进行优化。

发现热点数据

前面，我介绍了如何对单个秒杀商品的页面数据进行动静分离，以便针对性地对静态数据做优化处理，那么另外一个关键的问题来了：如何发现这些秒杀商品，或者更准确地说，如何发现热点商品呢？

你可能会说“参加秒杀的商品就是秒杀商品啊”，没错，关键是系统怎么知道哪些商品参加了秒杀活动呢？所以，你要有一个机制提前来区分普通商品和秒杀商品。

我们从发现静态热点和发现动态热点两个方面来看一下。

发现静态热点数据

如前面讲的，静态热点数据可以通过商业手段，例如强制让卖家通过报名参加的方式提前把热点商品筛选出来，实现方式是通过一个运营系统，把参加活动的商品数据进行打标，然后通过一个后台系统对这些热点商品进行预处理，如提前进行缓存。但是这种通过报名提前筛选的方式也会带来新的问题，即增加卖家的使用成本，而且实时性较差，也不太灵活。不过，除了提前报名筛选这种方式，你还可以通过技术手段提前预测，例如对买家每天访问的商品进行大数据计算，然后统计出 TOP N 的商品，我们可以认为这些 TOP N 的商品就是热点商品。

发现动态热点数据

我们可以通过卖家报名或者大数据预测这些手段来提前预测静态热点数据，但这其中有一个痛点，就是实时性较差，如果我们的系统能在秒级内自动发现热点商品那就完美了。能够动态地实时发现热点不仅对秒杀商品，对其他热卖商品也同样有价值，所以我们需要想办法实现热点的动态发现功能。

这里我给出一个动态热点发现系统的具体实现。

1、构建一个异步的系统，它可以收集交易链路上各个环节中的中间件产品的热点 Key，如 Nginx、缓存、RPC 服务框架等这些中间件（一些中间件产品本身已经有热点统计模块）。
2、建立一个热点上报和可以按照需求订阅的热点服务的下发规范，主要目的是通过交易链路上各个系统（包括详情、购物车、交易、优惠、库存、物流等）访问的时间差，把上游已经发现的热点透传给下游系统，提前做好保护。比如，对于大促高峰期，详情系统是最早知道的，在统一接入层上 Nginx 模块统计的热点 URL。
3、将上游系统收集的热点数据发送到热点服务台，然后下游系统（如交易系统）就会知道哪些商品会被频繁调用，然后做热点保护。

这里我给出了一个图，其中用户访问商品时经过的路径有很多，我们主要是依赖前面的导购页面（包括首页、搜索页面、商品详情、购物车等）提前识别哪些商品的访问量高，通过这些系统中的中间件来收集热点数据，并记录到日志中。

我们通过部署在每台机器上的 Agent 把日志汇总到聚合和分析集群中，然后把符合一定规则的热点数据，通过订阅分发系统再推送到相应的系统中。你可以是把热点数据填充到 Cache 中，或者直接推送到应用服务器的内存中，还可以对这些数据进行拦截，总之下游系统可以订阅这些数据，然后根据自己的需求决定如何处理这些数据。

打造热点发现系统时，我根据以往经验总结了几点注意事项。

1、这个热点服务后台抓取热点数据日志最好采用异步方式，因为“异步”一方面便于保证通用性，另一方面又不影响业务系统和中间件产品的主流程。
2、热点服务发现和中间件自身的热点保护模块并存，每个中间件和应用还需要保护自己。热点服务台提供热点数据的收集和订阅服务，便于把各个系统的热点数据透明出来。
3、热点发现要做到接近实时（3s 内完成热点数据的发现），因为只有做到接近实时，动态发现才有意义，才能实时地对下游系统提供保护。

处理热点数据

处理热点数据通常有几种思路：一是优化，二是限制，三是隔离。
先来说说优化。优化热点数据最有效的办法就是缓存热点数据，如果热点数据做了动静分离，那么可以长期缓存静态数据。但是，缓存热点数据更多的是“临时”缓存，即不管是静态数据还是动态数据，都用一个队列短暂地缓存数秒钟，由于队列长度有限，可以采用 LRU 淘汰算法替换。

再来说说限制。限制更多的是一种保护机制，限制的办法也有很多，例如对被访问商品的 ID 做一致性 Hash，然后根据 Hash 做分桶，每个分桶设置一个处理队列，这样可以把热点商品限制在一个请求队列里，防止因某些热点商品占用太多的服务器资源，而使其他请求始终得不到服务器的处理资源。

最后介绍一下隔离。秒杀系统设计的第一个原则就是将这种热点数据隔离出来，不要让 1% 的请求影响到另外的 99%，隔离出来后也更方便对这 1% 的请求做针对性的优化。

具体到“秒杀”业务，我们可以在以下几个层次实现隔离。

业务隔离。把秒杀做成一种营销活动，卖家要参加秒杀这种营销活动需要单独报名，从技术上来说，卖家报名后对我们来说就有了已知热点，因此可以提前做好预热。
系统隔离。系统隔离更多的是运行时的隔离，可以通过分组部署的方式和另外 99% 分开。秒杀可以申请单独的域名，目的也是让请求落到不同的集群中。
数据隔离。秒杀所调用的数据大部分都是热点数据，比如会启用单独的 Cache 集群或者 MySQL 数据库来放热点数据，目的也是不想 0.01% 的数据有机会影响 99.99% 数据。

04 | 流量削峰这事应该怎么做？

为什么要削峰？

我们知道服务器的处理资源是恒定的，你用或者不用它的处理能力都是一样的，所以出现峰值的话，很容易导致忙到处理不过来，闲的时候却又没有什么要处理。但是由于要保证服务质量，我们的很多处理资源只能按照忙的时候来预估，而这会导致资源的一个浪费。

这就好比因为存在早高峰和晚高峰的问题，所以有了错峰限行的解决方案。削峰的存在，一是可以让服务端处理变得更加平稳，二是可以节省服务器的资源成本。针对秒杀这一场景，削峰从本质上来说就是更多地延缓用户请求的发出，以便减少和过滤掉一些无效请求，它遵从“请求数要尽量少”的原则。

今天，我就来介绍一下流量削峰的一些操作思路：排队、答题、分层过滤。这几种方式都是无损（即不会损失用户的发出请求）的实现方案，当然还有些有损的实现方案，包括我们后面要介绍的关于稳定性的一些办法，比如限流和机器负载保护等一些强制措施也能达到削峰保护的目的，当然这都是不得已的一些措施，因此就不归类到这里了

排队

要对流量进行削峰，最容易想到的解决方案就是用消息队列来缓冲瞬时流量，把同步的直接调用转换成异步的间接推送，中间通过一个队列在一端承接瞬时的流量洪峰，在另一端平滑地将消息推送出去。在这里，消息队列就像“水库”一样， 拦蓄上游的洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，从而达到减免洪水灾害的目的。用消息队列来缓冲瞬时流量的方案，如下图所示：

但是，如果流量峰值持续一段时间达到了消息队列的处理上限，例如本机的消息积压达到了存储空间的上限，消息队列同样也会被压垮，这样虽然保护了下游的系统，但是和直接把请求丢弃也没多大的区别。就像遇到洪水爆发时，即使是有水库恐怕也无济于事

除了消息队列，类似的排队方式还有很多，例如：
1、利用线程池加锁等待也是一种常用的排队方式；
2、先进先出、先进后出等常用的内存排队算法的实现方式；
3、把请求序列化到文件中，然后再顺序地读文件（例如基于 MySQL binlog 的同步机制）来恢复请求等方式。

答题

你是否还记得，最早期的秒杀只是纯粹地刷新页面和点击购买按钮，它是后来才增加了答题功能的。那么，为什么要增加答题功能呢？

这主要是为了增加购买的复杂度，从而达到两个目的。

第一个目的是防止部分买家使用秒杀器在参加秒杀时作弊。2011 年秒杀非常火的时候，秒杀器也比较猖獗，因而没有达到全民参与和营销的目的，所以系统增加了答题来限制秒杀器。增加答题后，下单的时间基本控制在 2s 后，秒杀器的下单比例也大大下降。答题页面如下图所示。

第二个目的其实就是延缓请求，起到对请求流量进行削峰的作用，从而让系统能够更好地支持瞬时的流量高峰。这个重要的功能就是把峰值的下单请求拉长，从以前的 1s 之内延长到 2s~10s。这样一来，请求峰值基于时间分片了。这个时间的分片对服务端处理并发非常重要，会大大减轻压力。而且，由于请求具有先后顺序，靠后的请求到来时自然也就没有库存了，因此根本到不了最后的下单步骤，所以真正的并发写就非常有限了。这种设计思路目前用得非常普遍，如当年支付宝的“咻一咻”、微信的“摇一摇”都是类似的方式。

这里，我重点说一下秒杀答题的设计思路。

如上图所示，整个秒杀答题的逻辑主要分为 3 部分。

题库生成模块，这个部分主要就是生成一个个问题和答案，其实题目和答案本身并不需要很复杂，重要的是能够防止由机器来算出结果，即防止秒杀器来答题。
题库的推送模块，用于在秒杀答题前，把题目提前推送给详情系统和交易系统。题库的推送主要是为了保证每次用户请求的题目是唯一的，目的也是防止答题作弊。
题目的图片生成模块，用于把题目生成为图片格式，并且在图片里增加一些干扰因素。这也同样是为防止机器直接来答题，它要求只有人才能理解题目本身的含义。这里还要注意一点，由于答题时网络比较拥挤，我们应该把题目的图片提前推送到 CDN 上并且要进行预热，不然的话当用户真正请求题目时，图片可能加载比较慢，从而影响答题的体验。

其实真正答题的逻辑比较简单，很好理解：当用户提交的答案和题目对应的答案做比较，如果通过了就继续进行下一步的下单逻辑，否则就失败。我们可以把问题和答案用下面这样的 key 来进行 MD5 加密：

问题 key：userId+itemId+question_Id+time+PK
答案 key：userId+itemId+answer+PK

验证的逻辑如下图所示：

注意，这里面的验证逻辑，除了验证问题的答案以外，还包括用户本身身份的验证，例如是否已经登录、用户的 Cookie 是否完整、用户是否重复频繁提交等。
除了做正确性验证，我们还可以对提交答案的时间做些限制，例如从开始答题到接受答案要超过 1s，因为小于 1s 是人为操作的可能性很小，这样也能防止机器答题的情况。

分层过滤

前面介绍的排队和答题要么是少发请求，要么对发出来的请求进行缓冲，而针对秒杀场景还有一种方法，就是对请求进行分层过滤，从而过滤掉一些无效的请求。分层过滤其实就是采用“漏斗”式设计来处理请求的，如下图所示。

假如请求分别经过 CDN、前台读系统（如商品详情系统）、后台系统（如交易系统）和数据库这几层，那么：

大部分数据和流量在用户浏览器或者 CDN 上获取，这一层可以拦截大部分数据的读取；
经过第二层（即前台系统）时数据（包括强一致性的数据）尽量得走 Cache，过滤一些无效的请求；
再到第三层后台系统，主要做数据的二次检验，对系统做好保护和限流，这样数据量和请求就进一步减少；
最后在数据层完成数据的强一致性校验。

这样就像漏斗一样，尽量把数据量和请求量一层一层地过滤和减少了。

分层过滤的核心思想是：在不同的层次尽可能地过滤掉无效请求，让“漏斗”最末端的才是有效请求。而要达到这种效果，我们就必须对数据做分层的校验。

**分层校验的基本原则是： **

将动态请求的读数据缓存（Cache）在 Web 端，过滤掉无效的数据读；
对读数据不做强一致性校验，减少因为一致性校验产生瓶颈的问题；
对写数据进行基于时间的合理分片，过滤掉过期的失效请求；
对写请求做限流保护，将超出系统承载能力的请求过滤掉；
对写数据进行强一致性校验，只保留最后有效的数据。

05 | 影响性能的因素有哪些？又该如何提高系统的性能？

影响性能的因素

那么，哪些因素对性能有影响呢？在回答这个问题之前，我们先定义一下“性能”，服务设备不同对性能的定义也是不一样的，例如 CPU 主要看主频、磁盘主要看 IOPS（Input/Output Operations Per Second，即每秒进行读写操作的次数）。

而今天我们讨论的主要是系统服务端性能，一般用 QPS（Query Per Second，每秒请求数）来衡量，还有一个影响和 QPS 也息息相关，那就是响应时间（Response Time，RT），它可以理解为服务器处理响应的耗时。

正常情况下响应时间（RT）越短，一秒钟处理的请求数（QPS）自然也就会越多，这在单线程处理的情况下看起来是线性的关系，即我们只要把每个请求的响应时间降到最低，那么性能就会最高。

但是你可能想到响应时间总有一个极限，不可能无限下降，所以又出现了另外一个维度，即通过多线程，来处理请求。这样理论上就变成了“总 QPS =（1000ms / 响应时间）× 线程数量”，这样性能就和两个因素相关了，一个是一次响应的服务端耗时，一个是处理请求的线程数。

首先，我们先来看看响应时间和 QPS 有啥关系。

对于大部分的 Web 系统而言，响应时间一般都是由 CPU 执行时间和线程等待时间（比如 RPC、IO 等待、Sleep、Wait 等）组成，即服务器在处理一个请求时，一部分是 CPU 本身在做运算，还有一部分是在各种等待。

如果代理服务器本身没有 CPU 消耗，我们在每次给代理服务器代理的请求加个延时，即增加响应时间，但是这对代理服务器本身的吞吐量并没有多大的影响，因为代理服务器本身的资源并没有被消耗，可以通过增加代理服务器的处理线程数，来弥补响应时间对代理服务器的 QPS 的影响。

其实，真正对性能有影响的是 CPU 的执行时间。这也很好理解，因为 CPU 的执行真正消耗了服务器的资源。经过实际的测试，如果减少 CPU 一半的执行时间，就可以增加一倍的 QPS。

也就是说，我们应该致力于减少 CPU 的执行时间。

其次，我们再来看看线程数对 QPS 的影响。

单看“总 QPS”的计算公式，你会觉得线程数越多 QPS 也就会越高，但这会一直正确吗？显然不是，线程数不是越多越好，因为线程本身也消耗资源，也受到其他因素的制约。例如，线程越多系统的线程切换成本就会越高，而且每个线程也都会耗费一定内存。

那么，设置什么样的线程数最合理呢？其实很多多线程的场景都有一个默认配置，即“线程数 = 2 * CPU 核数 + 1”。除去这个配置，还有一个根据最佳实践得出来的公式：

线程数 = [(线程等待时间 + 线程 CPU 时间) / 线程 CPU 时间] × CPU 数量

当然，最好的办法是通过性能测试来发现最佳的线程数。
换句话说，要提升性能我们就要减少 CPU 的执行时间，另外就是要设置一个合理的并发线程数，通过这两方面来显著提升服务器的性能。
现在，你知道了如何来快速提升性能，那接下来你估计会问，我应该怎么发现系统哪里最消耗 CPU 资源呢？

如何发现瓶颈

就服务器而言，会出现瓶颈的地方有很多，例如 CPU、内存、磁盘以及网络等都可能会导致瓶颈。此外，不同的系统对瓶颈的关注度也不一样，例如对缓存系统而言，制约它的是内存，而对存储型系统来说 I/O 更容易是瓶颈。

我们定位的场景是秒杀，它的瓶颈更多地发生在 CPU 上。

怎样简单地判断 CPU 是不是瓶颈呢？一个办法就是看当 QPS 达到极限时，你的服务器的 CPU 使用率是不是超过了 95%，如果没有超过，那么表示 CPU 还有提升的空间，要么是有锁限制，要么是有过多的本地 I/O 等待发生。

如何优化系统

对 Java 系统来说，可以优化的地方很多，这里我重点说一下比较有效的几种手段，供你参考，它们是：减少编码、减少序列化、Java 极致优化、并发读优化。接下来，我们分别来看一下。

1. 减少编码

Java 的编码运行比较慢，这是 Java 的一大硬伤。在很多场景下，只要涉及字符串的操作（如输入输出操作、I/O 操作）都比较耗 CPU 资源，不管它是磁盘 I/O 还是网络 I/O，因为都需要将字符转换成字节，而这个转换必须编码。每个字符的编码都需要查表，而这种查表的操作非常耗资源，所以减少字符到字节或者相反的转换、减少字符编码会非常有成效。减少编码就可以大大提升性能

2. 减少序列化

序列化也是 Java 性能的一大天敌，减少 Java 中的序列化操作也能大大提升性能。又因为序列化往往是和编码同时发生的，所以减少序列化也就减少了编码。

序列化大部分是在 RPC 中发生的，因此避免或者减少 RPC 就可以减少序列化，当然当前的序列化协议也已经做了很多优化来提升性能。有一种新的方案，就是可以将多个关联性比较强的应用进行“合并部署”，而减少不同应用之间的 RPC 也可以减少序列化的消耗。

所谓“合并部署”，就是把两个原本在不同机器上的不同应用合并部署到一台机器上，当然不仅仅是部署在一台机器上，还要在同一个 Tomcat 容器中，且不能走本机的 Socket，这样才能避免序列化的产生。

另外针对秒杀场景，我们还可以做得更极致一些，接下来我们来看第 3 点：Java 极致优化。

3. Java 极致优化

Java 和通用的 Web 服务器（如 Nginx 或 Apache 服务器）相比，在处理大并发的 HTTP 请求时要弱一点，所以一般我们都会对大流量的 Web 系统做静态化改造，让大部分请求和数据直接在 Nginx 服务器或者 Web 代理服务器（如 Varnish、Squid 等）上直接返回（这样可以减少数据的序列化与反序列化），而 Java 层只需处理少量数据的动态请求。针对这些请求，我们可以使用以下手段进行优化：

1、直接使用 Servlet 处理请求。避免使用传统的 MVC 框架，这样可以绕过一大堆复杂且用处不大的处理逻辑，节省 1ms 时间（具体取决于你对 MVC 框架的依赖程度）
2、直接输出流数据。使用 resp.getOutputStream() 而不是 resp.getWriter() 函数，可以省掉一些不变字符数据的编码，从而提升性能；数据输出时推荐使用 JSON 而不是模板引擎（一般都是解释执行）来输出页面。

4. 并发读优化

也许有读者会觉得这个问题很容易解决，无非就是放到 Tair 缓存里面。集中式缓存为了保证命中率一般都会采用一致性 Hash，所以同一个 key 会落到同一台机器上。虽然单台缓存机器也能支撑 30w/s 的请求，但还是远不足以应对像“大秒”这种级别的热点商品。那么，该如何彻底解决单点的瓶颈呢？

答案是采用应用层的 LocalCache，即在秒杀系统的单机上缓存商品相关的数据。

那么，又如何缓存（Cache）数据呢？你需要划分成动态数据和静态数据分别进行处理：

1、像商品中的“标题”和“描述”这些本身不变的数据，会在秒杀开始之前全量推送到秒杀机器上，并一直缓存到秒杀结束；

2、像库存这类动态数据，会采用“被动失效”的方式缓存一定时间（一般是数秒），失效后再去缓存拉取最新的数据。

06 | 秒杀系统“减库存”设计的核心逻辑

千万不要超卖，这是大前提。

减库存有哪几种方式

在正常的电商平台购物场景中，用户的实际购买过程一般分为两步：下单和付款。你想买一台 iPhone 手机，在商品页面点了“立即购买”按钮，核对信息之后点击“提交订单”，这一步称为下单操作。下单之后，你只有真正完成付款操作才能算真正购买，也就是俗话说的“落袋为安”。

那如果你是架构师，你会在哪个环节完成减库存的操作呢？总结来说，减库存操作一般有如下几个方式：

下单减库存，即当买家下单后，在商品的总库存中减去买家购买数量。下单减库存是最简单的减库存方式，也是控制最精确的一种，下单时直接通过数据库的事务机制控制商品库存，这样一定不会出现超卖的情况。但是你要知道，有些人下完单可能并不会付款。
付款减库存，即买家下单后，并不立即减库存，而是等到有用户付款后才真正减库存，否则库存一直保留给其他买家。但因为付款时才减库存，如果并发比较高，有可能出现买家下单后付不了款的情况，因为可能商品已经被其他人买走了
预扣库存，这种方式相对复杂一些，买家下单后，库存为其保留一定的时间（如 10 分钟），超过这个时间，库存将会自动释放，释放后其他买家就可以继续购买。在买家付款前，系统会校验该订单的库存是否还有保留：如果没有保留，则再次尝试预扣；如果库存不足（也就是预扣失败）则不允许继续付款；如果预扣成功，则完成付款并实际地减去库存。

以上这几种减库存的方式都会存在一些问题，下面我们一起来看下。

减库存可能存在的问题

由于购物过程中存在两步或者多步的操作，因此在不同的操作步骤中减库存，就会存在一些可能被恶意买家利用的漏洞，例如发生恶意下单的情况。

假如我们采用“下单减库存”的方式，即用户下单后就减去库存，正常情况下，买家下单后付款的概率会很高，所以不会有太大问题。但是有一种场景例外，就是当卖家参加某个活动时，此时活动的有效时间是商品的黄金售卖时间，如果有竞争对手通过恶意下单的方式将该卖家的商品全部下单，让这款商品的库存减为零，那么这款商品就不能正常售卖了。要知道，这些恶意下单的人是不会真正付款的，这正是“下单减库存”方式的不足之处。

既然“下单减库存”可能导致恶意下单，从而影响卖家的商品销售，那么有没有办法解决呢？你可能会想，采用“付款减库存”的方式是不是就可以了？的确可以。但是，“付款减库存”又会导致另外一个问题：库存超卖。

假如有 100 件商品，就可能出现 300 人下单成功的情况，因为下单时不会减库存，所以也就可能出现下单成功数远远超过真正库存数的情况，这尤其会发生在做活动的热门商品上。这样一来，就会导致很多买家下单成功但是付不了款，买家的购物体验自然比较差。

可以看到，不管是“下单减库存”还是“付款减库存”，都会导致商品库存不能完全和实际售卖情况对应起来的情况，看来要把商品准确地卖出去还真是不容易啊！

那么，既然“下单减库存”和“付款减库存”都有缺点，我们能否把两者相结合，将两次操作进行前后关联起来，下单时先预扣，在规定时间内不付款再释放库存，即采用“预扣库存”这种方式呢？

这种方案确实可以在一定程度上缓解上面的问题。但是否就彻底解决了呢？其实没有！针对恶意下单这种情况，虽然把有效的付款时间设置为 10 分钟，但是恶意买家完全可以在 10 分钟后再次下单，或者采用一次下单很多件的方式把库存减完。针对这种情况，解决办法还是要结合安全和反作弊的措施来制止。

例如，给经常下单不付款的买家进行识别打标（可以在被打标的买家下单时不减库存）、给某些类目设置最大购买件数（例如，参加活动的商品一人最多只能买 3 件），以及对重复下单不付款的操作进行次数限制等。

针对“库存超卖”这种情况，在 10 分钟时间内下单的数量仍然有可能超过库存数量，遇到这种情况我们只能区别对待：对普通的商品下单数量超过库存数量的情况，可以通过补货来解决；但是有些卖家完全不允许库存为负数的情况，那只能在买家付款时提示库存不足。

大型秒杀中如何减库存？

目前来看，业务系统中最常见的就是预扣库存方案，像你在买机票、买电影票时，下单后一般都有个“有效付款时间”，超过这个时间订单自动释放，这都是典型的预扣库存方案。而具体到秒杀这个场景，应该采用哪种方案比较好呢？

由于参加秒杀的商品，一般都是“抢到就是赚到”，所以成功下单后却不付款的情况比较少，再加上卖家对秒杀商品的库存有严格限制，所以秒杀商品采用“下单减库存”更加合理。另外，理论上由于“下单减库存”比“预扣库存”以及涉及第三方支付的“付款减库存”在逻辑上更为简单，所以性能上更占优势。

“下单减库存”在数据一致性上，主要就是保证大并发请求时库存数据不能为负数，也就是要保证数据库中的库存字段值不能为负数，一般我们有多种解决方案：一种是在应用程序中通过事务来判断，即保证减后库存不能为负数，否则就回滚；另一种办法是直接设置数据库的字段数据为无符号整数，这样减后库存字段值小于零时会直接执行 SQL 语句来报错；再有一种就是使用 CASE WHEN 判断语句，例如这样的 SQL 语句：

UPDATE item SET inventory = CASE WHEN inventory >= xxx THEN inventory-xxx ELSE inventory END  

秒杀减库存的极致优化

在交易环节中，“库存”是个关键数据，也是个热点数据，因为交易的各个环节中都可能涉及对库存的查询。但是，我在前面介绍分层过滤时提到过，秒杀中并不需要对库存有精确的一致性读，把库存数据放到缓存（Cache）中，可以大大提升读性能。解决大并发读问题，可以采用 LocalCache（即在秒杀系统的单机上缓存商品相关的数据）和对数据进行分层过滤的方式，但是像减库存这种大并发写无论如何还是避免不了，这也是秒杀场景下最为核心的一个技术难题。

因此，这里我想专门来说一下秒杀场景下减库存的极致优化思路，包括如何在缓存中减库存以及如何在数据库中减库存。

秒杀商品和普通商品的减库存还是有些差异的，例如商品数量比较少，交易时间段也比较短，因此这里有一个大胆的假设，即能否把秒杀商品减库存直接放到缓存系统中实现，也就是直接在缓存中减库存或者在一个带有持久化功能的缓存系统（如 Redis）中完成呢？

如果你的秒杀商品的减库存逻辑非常单一，比如没有复杂的 SKU 库存和总库存这种联动关系的话，我觉得完全可以。但是如果有比较复杂的减库存逻辑，或者需要使用事务，你还是必须在数据库中完成减库存。

由于 MySQL 存储数据的特点，同一数据在数据库里肯定是一行存储（MySQL），因此会有大量线程来竞争 InnoDB 行锁，而并发度越高时等待线程会越多，TPS（Transaction Per Second，即每秒处理的消息数）会下降，响应时间（RT）会上升，数据库的吞吐量就会严重受影响。

这就可能引发一个问题，就是单个热点商品会影响整个数据库的性能， 导致 0.01% 的商品影响 99.99% 的商品的售卖，这是我们不愿意看到的情况。一个解决思路是遵循前面介绍的原则进行隔离，把热点商品放到单独的热点库中。但是这无疑会带来维护上的麻烦，比如要做热点数据的动态迁移以及单独的数据库等。

而分离热点商品到单独的数据库还是没有解决并发锁的问题，我们应该怎么办呢？要解决并发锁的问题，有两种办法：

应用层做排队。按照商品维度设置队列顺序执行，这样能减少同一台机器对数据库同一行记录进行操作的并发度，同时也能控制单个商品占用数据库连接的数量，防止热点商品占用太多的数据库连接。
数据库层做排队。应用层只能做到单机的排队，但是应用机器数本身很多，这种排队方式控制并发的能力仍然有限，所以如果能在数据库层做全局排队是最理想的。阿里的数据库团队开发了针对这种 MySQL 的 InnoDB 层上的补丁程序（patch），可以在数据库层上对单行记录做到并发排队。

你可能有疑问了，排队和锁竞争不都是要等待吗，有啥区别？

如果熟悉 MySQL 的话，你会知道 InnoDB 内部的死锁检测，以及 MySQL Server 和 InnoDB 的切换会比较消耗性能，淘宝的 MySQL 核心团队还做了很多其他方面的优化，如 COMMIT_ON_SUCCESS 和 ROLLBACK_ON_FAIL 的补丁程序，配合在 SQL 里面加提示（hint），在事务里不需要等待应用层提交（COMMIT），而在数据执行完最后一条 SQL 后，直接根据 TARGET_AFFECT_ROW 的结果进行提交或回滚，可以减少网络等待时间（平均约 0.7ms）。据我所知，目前阿里 MySQL 团队已经将包含这些补丁程序的 MySQL 开源。

另外，数据更新问题除了前面介绍的热点隔离和排队处理之外，还有些场景（如对商品的 lastmodifytime 字段的）更新会非常频繁，在某些场景下这些多条 SQL 是可以合并的，一定时间内只要执行最后一条 SQL 就行了，以便减少对数据库的更新操作。

本文内容取自许令波老师《如何设计一个秒杀系统》这一课程的部分内容。