简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

本次采用循序渐进的方式逐步提高性能达到并发秒杀的效果,文章较长,请准备好瓜子板凳!


图片来自包图网


之前在 Java-Interview 中提到过秒杀架构的设计,这次基于其中的理论简单实现了一下。


本文所有涉及的代码:

  • https://github.com/crossoverJie/SSM

  • https://github.com/crossoverJie/distributed-redis-tool


首先来看看最终架构图:

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

先简单根据这个图谈下请求的流转,因为后面不管怎么改进,这些都是不变的:

  • 前端请求进入 Web 层,对应的代码就是 Controller。

  • 之后将真正的库存校验、下单等请求发往 Service 层,其中 RPC 调用依然采用的 Dubbo,只是更新为最新版本。

  • Service 层再对数据进行落地,下单完成。


无限制


抛开秒杀这个场景来说,正常的一个下单流程可以简单分为以下几步:

  • 校验库存

  • 扣库存

  • 创建订单

  • 支付


基于上文的架构,我们有了以下实现,先看看实际项目的结构:

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

还是和以前一样:

  • 提供出一个 API 用于 Service 层实现,以及 Web 层消费。

  • Web 层简单来说就是一个 Spring MVC。

  • Service 层则是真正的数据落地。

  • SSM-SECONDS-KILL-ORDER-CONSUMER 则是后文会提到的 Kafka 消费。


数据库也是只有简单的两张表模拟下单:

CREATE TABLE `stock` (
  `id` int(11unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(50NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '名称',
  `count` int(11NOT NULL COMMENT '库存',
  `sale` int(11NOT NULL COMMENT '已售',
  `version` int(11NOT NULL COMMENT '乐观锁,版本号',
  PRIMARY KEY (`id`)
ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=2 DEFAULT CHARSET=utf8;


CREATE TABLE `stock_order` (
  `id` int(11unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `sid` int(11NOT NULL COMMENT '库存ID',
  `name` varchar(30NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '商品名称',
  `create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
  PRIMARY KEY (`id`)
ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=55 DEFAULT CHARSET=utf8;


Web 层 Controller 实现:

    @Autowired
    private StockService stockService;

    @Autowired
    private OrderService orderService;

    @RequestMapping("/createWrongOrder/{sid}")
    @ResponseBody
    public String createWrongOrder(@PathVariable int sid) {
        logger.info("sid=[{}]", sid);
        int id = 0;
        try {
            id = orderService.createWrongOrder(sid);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Exception",e);
        }
        return String.valueOf(id);
    }


其中 Web 作为一个消费者调用看 OrderService 提供出来的 Dubbo 服务。


Service 层, OrderService 实现,首先是对 API 的实现(会在 API 提供出接口):

@Service
public class OrderServiceImpl implements OrderService {

    @Resource(name = "DBOrderService")
    private com.crossoverJie.seconds.kill.service.OrderService orderService ;

    @Override
    public int createWrongOrder(int sid) throws Exception {
        return orderService.createWrongOrder(sid);
    }
}


这里只是简单调用了 DBOrderService 中的实现,DBOrderService 才是真正的数据落地,也就是写数据库了。


DBOrderService 实现:

Transactional(rollbackFor = Exception.class)
@Service(value = "DBOrderService")
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
    @Resource(name = "DBStockService")
    private com.crossoverJie.seconds.kill.service.StockService stockService;

    @Autowired
    private StockOrderMapper orderMapper;

    @Override
    public int createWrongOrder(int sid) throws Exception{

        //校验库存
        Stock stock = checkStock(sid);

        //扣库存
        saleStock(stock);

        //创建订单
        int id = createOrder(stock);

        return id;
    }

    private Stock checkStock(int sid) {
        Stock stock = stockService.getStockById(sid);
        if (stock.getSale().equals(stock.getCount())) {
            throw new RuntimeException("库存不足");
        }
        return stock;
    }

    private int saleStock(Stock stock) {
        stock.setSale(stock.getSale() + 1);
        return stockService.updateStockById(stock);
    }

    private int createOrder(Stock stock) {
        StockOrder order = new StockOrder();
        order.setSid(stock.getId());
        order.setName(stock.getName());
        int id = orderMapper.insertSelective(order);
        return id;
    }        

}


预先初始化了 10 条库存。手动调用下 createWrongOrder/1 接口发现:

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库存表

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订单表


一切看起来都没有问题,数据也正常。但是当用 JMeter 并发测试时:

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测试配置是:300 个线程并发。测试两轮来看看数据库中的结果:

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请求都响应成功,库存确实也扣完了,但是订单却生成了 124 条记录。这显然是典型的超卖现象。


其实现在再去手动调用接口会返回库存不足,但为时晚矣。


乐观锁更新


怎么来避免上述的现象呢?最简单的做法自然是乐观锁了,来看看具体实现:


其实其他的都没怎么改,主要是 Service 层:

    @Override
    public int createOptimisticOrder(int sid) throws Exception {

        //校验库存
        Stock stock = checkStock(sid);

        //乐观锁更新库存
        saleStockOptimistic(stock);

        //创建订单
        int id = createOrder(stock);

        return id;
    }

    private void saleStockOptimistic(Stock stock) {
        int count = stockService.updateStockByOptimistic(stock);
        if (count == 0){
            throw new RuntimeException("并发更新库存失败") ;
        }
    }


对应的 XML:

    <update id="updateByOptimistic" parameterType="com.crossoverJie.seconds.kill.pojo.Stock">
        update stock
        <set>
            sale = sale + 1,
            version = version + 1,
        </set>

        WHERE id = #{id,jdbcType=INTEGER}
        AND version = #{version,jdbcType=INTEGER}

    </update>


同样的测试条件,我们再进行上面的测试 /createOptimisticOrder/1:

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这次发现无论是库存订单都是 OK 的。


查看日志发现:

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

很多并发请求会响应错误,这就达到了效果。


提高吞吐量


为了进一步提高秒杀时的吞吐量以及响应效率,这里的 Web 和 Service 都进行了横向扩展:

  • Web 利用 nginx 进行负载。

  • Service 也是多台应用。

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再用 JMeter 测试时可以直观的看到效果。


由于我是在阿里云的一台小水管服务器进行测试的,加上配置不高、应用都在同一台,所以并没有完全体现出性能上的优势( Nginx 做负载转发时候也会增加额外的网络消耗)。


Shell 脚本实现简单的 CI


由于应用多台部署之后,手动发版测试的痛苦相信经历过的都有体会。


这次并没有精力去搭建完整的 CICD,只是写了一个简单的脚本实现了自动化部署,希望给这方面没有经验的同学带来一点启发。


构建 Web:

#!/bin/bash

# 构建 web 消费者

#read appname

appname="consumer"
echo "input="$appname

PID=$(ps -ef | grep $appname | grep -v grep | awk '{print $2}')

# 遍历杀掉 pid
for var in ${PID[@]};
do
    echo "loop pid= $var"
    kill -9 $var
done

echo "kill $appname success"

cd ..

git pull

cd SSM-SECONDS-KILL

mvn -Dmaven.test.skip=true clean package

echo "build war success"

cp /home/crossoverJie/SSM/SSM-SECONDS-KILL/SSM-SECONDS-KILL-WEB/target/SSM-SECONDS-KILL-WEB-2.2.0-SNAPSHOT.war /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-consumer-8083/webapps
echo "cp tomcat-dubbo-consumer-8083/webapps ok!"

cp /home/crossoverJie/SSM/SSM-SECONDS-KILL/SSM-SECONDS-KILL-WEB/target/SSM-SECONDS-KILL-WEB-2.2.0-SNAPSHOT.war /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-consumer-7083-slave/webapps
echo "cp tomcat-dubbo-consumer-7083-slave/webapps ok!"

sh /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-consumer-8083/bin/startup.sh
echo "tomcat-dubbo-consumer-8083/bin/startup.sh success"

sh /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-consumer-7083-slave/bin/startup.sh
echo "tomcat-dubbo-consumer-7083-slave/bin/startup.sh success"

echo "start $appname success"


构建 Service:

# 构建服务提供者

#read appname

appname="provider"

echo "input="$appname


PID=$(ps -ef | grep $appname | grep -v grep | awk '{print $2}')

#if [ $? -eq 0 ]; then
#    echo "process id:$PID"
#else
#    echo "process $appname not exit"
#    exit
#fi

# 遍历杀掉 pid
for var in ${PID[@]};
do
    echo "loop pid= $var"
    kill -9 $var
done

echo "kill $appname success"


cd ..

git pull

cd SSM-SECONDS-KILL

mvn -Dmaven.test.skip=true clean package

echo "build war success"

cp /home/crossoverJie/SSM/SSM-SECONDS-KILL/SSM-SECONDS-KILL-SERVICE/target/SSM-SECONDS-KILL-SERVICE-2.2.0-SNAPSHOT.war /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-provider-8080/webapps

echo "cp tomcat-dubbo-provider-8080/webapps ok!"

cp /home/crossoverJie/SSM/SSM-SECONDS-KILL/SSM-SECONDS-KILL-SERVICE/target/SSM-SECONDS-KILL-SERVICE-2.2.0-SNAPSHOT.war /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-provider-7080-slave/webapps

echo "cp tomcat-dubbo-provider-7080-slave/webapps ok!"

sh /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-provider-8080/bin/startup.sh
echo "tomcat-dubbo-provider-8080/bin/startup.sh success"

sh /home/crossoverJie/tomcat/tomcat-dubbo-provider-7080-slave/bin/startup.sh
echo "tomcat-dubbo-provider-8080/bin/startup.sh success"

echo "start $appname success"


之后每当我有更新,只需要执行这两个脚本就可以帮我自动构建。都是最基础的 Linux 命令,相信大家都看得明白。


乐观锁更新 + 分布式限流


上文的结果看似没有问题,其实还差得远呢。这里只是模拟了 300 个并发没有问题,但是当请求达到了 3000,3W,300W 呢?


虽说可以横向扩展支撑更多的请求,但是能不能利用最少的资源解决问题呢?


仔细分析下会发现:假设我的商品一共只有 10 个库存,那么无论你多少人来买其实最终也最多只有 10 人可以下单成功。所以其中会有 99% 的请求都是无效的。


大家都知道:大多数应用数据库都是压倒骆驼的最后一根稻草。通过 Druid 的监控来看看之前请求数据库的情况:


因为 Service 是两个应用:

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数据库也有 20 多个连接。怎么样来优化呢?其实很容易想到的就是分布式限流。


我们将并发控制在一个可控的范围之内,然后快速失败这样就能最大程度的保护系统。


①distributed-redis-tool ⬆️v1.0.3


为此还对 https://github.com/crossoverJie/distributed-redis-tool 进行了小小的升级。


因为加上该组件之后所有的请求都会经过 Redis,所以对 Redis 资源的使用也是要非常小心。


②API 更新


修改之后的 API 如下:

@Configuration
public class RedisLimitConfig {

    private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RedisLimitConfig.class);

    @Value("${redis.limit}")
    private int limit;


    @Autowired
    private JedisConnectionFactory jedisConnectionFactory;

    @Bean
    public RedisLimit build() {
        RedisLimit redisLimit = new RedisLimit.Builder(jedisConnectionFactory, RedisToolsConstant.SINGLE)
                .limit(limit)
                .build();

        return redisLimit;
    }
}


这里构建器改用了 JedisConnectionFactory,所以得配合 Spring 来一起使用。


并在初始化时显示传入 Redis 是以集群方式部署还是单机(强烈建议集群,限流之后对 Redis 还是有一定的压力)。


③限流实现


既然 API 更新了,实现自然也要修改:

    /**
     * limit traffic
     * @return if true
     */

    public boolean limit() {

        //get connection
        Object connection = getConnection();

        Object result = limitRequest(connection);

        if (FAIL_CODE != (Long) result) {
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }

    private Object limitRequest(Object connection) {
        Object result = null;
        String key = String.valueOf(System.currentTimeMillis() / 1000);
        if (connection instanceof Jedis){
            result = ((Jedis)connection).eval(script, Collections.singletonList(key), Collections.singletonList(String.valueOf(limit)));
            ((Jedis) connection).close();
        }else {
            result = ((JedisCluster) connection).eval(script, Collections.singletonList(key), Collections.singletonList(String.valueOf(limit)));
            try {
                ((JedisCluster) connection).close();
            } catch (IOException e) {
                logger.error("IOException",e);
            }
        }
        return result;
    }

    private Object getConnection() {
        Object connection ;
        if (type == RedisToolsConstant.SINGLE){
            RedisConnection redisConnection = jedisConnectionFactory.getConnection();
            connection = redisConnection.getNativeConnection();
        }else {
            RedisClusterConnection clusterConnection = jedisConnectionFactory.getClusterConnection();
            connection = clusterConnection.getNativeConnection() ;
        }
        return connection;
    }


如果是原生的 Spring 应用得采用 @SpringControllerLimit(errorCode=200) 注解。


实际使用如下,Web 端:

    /**
     * 乐观锁更新库存 限流
     * @param sid
     * @return
     */

    @SpringControllerLimit(errorCode = 200)
    @RequestMapping("/createOptimisticLimitOrder/{sid}")
    @ResponseBody
    public String createOptimisticLimitOrder(@PathVariable int sid) {
        logger.info("sid=[{}]", sid);
        int id = 0;
        try {
            id = orderService.createOptimisticOrder(sid);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Exception",e);
        }
        return String.valueOf(id);
    }


Service 端就没什么更新了,依然是采用的乐观锁更新数据库。


再压测看下效果 /createOptimisticLimitOrderByRedis/1:

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首先是看结果没有问题,再看数据库连接以及并发请求数都有明显的下降。


乐观锁更新+分布式限流+Redis 缓存


仔细观察 Druid 监控数据发现这个 SQL 被多次查询:

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其实这是实时查询库存的 SQL,主要是为了在每次下单之前判断是否还有库存。


这也是个优化点。这种数据我们完全可以放在内存中,效率比在数据库要高很多。


由于我们的应用是分布式的,所以堆内缓存显然不合适,Redis 就非常适合。


这次主要改造的是 Service 层:

  • 每次查询库存时走 Redis。

  • 扣库存时更新 Redis。

  • 需要提前将库存信息写入 Redis。(手动或者程序自动都可以)


主要代码如下:

    @Override
    public int createOptimisticOrderUseRedis(int sid) throws Exception 
{
        //检验库存,从 Redis 获取
        Stock stock = checkStockByRedis(sid);

        //乐观锁更新库存 以及更新 Redis
        saleStockOptimisticByRedis(stock);

        //创建订单
        int id = createOrder(stock);
        return id ;
    }


    private Stock checkStockByRedis(int sid) throws Exception {
        Integer count = Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(RedisKeysConstant.STOCK_COUNT + sid));
        Integer sale = Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(RedisKeysConstant.STOCK_SALE + sid));
        if (count.equals(sale)){
            throw new RuntimeException("库存不足 Redis currentCount=" + sale);
        }
        Integer version = Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(RedisKeysConstant.STOCK_VERSION + sid));
        Stock stock = new Stock() ;
        stock.setId(sid);
        stock.setCount(count);
        stock.setSale(sale);
        stock.setVersion(version);

        return stock;
    }    


    /**
     * 乐观锁更新数据库 还要更新 Redis
     * @param stock
     */

    private void saleStockOptimisticByRedis(Stock stock{
        int count = stockService.updateStockByOptimistic(stock);
        if (count == 0){
            throw new RuntimeException("并发更新库存失败") ;
        }
        //自增
        redisTemplate.opsForValue().increment(RedisKeysConstant.STOCK_SALE + stock.getId(),1) ;
        redisTemplate.opsForValue().increment(RedisKeysConstant.STOCK_VERSION + stock.getId(),1) ;
    }    


压测看看实际效果 /createOptimisticLimitOrderByRedis/1:

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!

最后发现数据没问题,数据库的请求与并发也都下来了。


乐观锁更新+分布式限流+Redis 缓存+Kafka 异步


最后的优化还是想如何来再次提高吞吐量以及性能的。我们上文所有例子其实都是同步请求,完全可以利用同步转异步来提高性能啊。


这里我们将写订单以及更新库存的操作进行异步化,利用 Kafka 来进行解耦和队列的作用。


每当一个请求通过了限流到达了 Service 层通过了库存校验之后就将订单信息发给 Kafka ,这样一个请求就可以直接返回了。


消费程序再对数据进行入库落地。因为异步了,所以最终需要采取回调或者是其他提醒的方式提醒用户购买完成。


这里代码较多就不贴了,消费程序其实就是把之前的 Service 层的逻辑重写了一遍,不过采用的是 Spring Boot。


总结


经过上面的一顿优化总结起来无非就是以下几点:

  • 尽量将请求拦截在上游。

  • 还可以根据 UID 进行限流。

  • 最大程度的减少请求落到 DB。

  • 多利用缓存。

  • 同步操作异步化。

  • Fail Fast,尽早失败,保护应用。


码字不易,这应该是我写过字数最多的了,想想当年高中 800 字的作文都憋不出来

以上是关于简单几步,设计一个高性能的秒杀系统!的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

如何设计一个高性能的秒杀系统

高性能秒杀系统的设计思考,超详细!

秒杀系统:如何打造并维护一个超大流量的秒杀系统?

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