高并发系统是如何设计的？

# 0、引言

软件系统有三个追求：**高性能、高并发、高可用**，俗称三高。三者既有区别也有联系，门门道道很多，全面讨论需要三天三夜，本篇讨论高并发。

**高并发（High Concurrency）**。并发是操作系统领域的一个概念，指的是一段时间内多任务流交替执行的现象，后来这个概念被泛化，高并发用来指大流量、高请求的业务情景，比如春运抢票，电商双十一，秒杀大促等场景。

很多程序员每天忙着搬砖，平时接触不到高并发，哪天受不了跑去面试，还常常会被面试官犀利的高并发问题直接KO，其实吧，高并发系统也不高深，我保证任何一个智商在线的看过这篇文章后，都能战胜恐惧，重拾生活的信心。

# 1、高并发的度量指标

既然是高并发系统，那并发一定要高，不然就名不副实。并发的指标一般有**QPS、TPS、IOPS**，这几个指标都是可归为**系统吞吐率**，QPS越高系统能hold住的请求数越多，但光关注这几个指标不够，我们还需要关注RT，即响应时间，也就是从发出request到收到response的时延，这个指标跟吞吐往往是此消彼长的，我们追求的是一定时延下的高吞吐。

比如有100万次请求，99万次请求都在10毫秒内响应，其他次数10秒才响应，平均时延不高，但时延高的用户受不了，所以，就有了**TP90/TP99指标**，这个指标不是求平均，而是把时延从小到大排序，取排名90%/99%的时延，这个指标越大，对慢请求越敏感。

除此之外，有时候，我们也会关注可用性指标，这可归到稳定性。

一般而言，用户感知友好的高并发系统，时延应该控制在250毫秒以内。

什么样的系统才能称为高并发？这个不好回答，因为它取决于系统或者业务的类型。不过我可以告诉你一些众所周知的指标，这样能帮助你下次在跟人扯淡的时候稍微靠点儿谱，不至于贻笑大方。

通常，数据库单机每秒也就能抗住几千这个量级，而做逻辑处理的服务单台每秒抗几万、甚至几十万都有可能，而消息队列等中间件单机每秒处理个几万没问题，所以我们经常听到每秒处理数百万、数千万的消息中间件集群，而像阿某的API网关，每日百亿请求也有可能。

# 2、高并发的设计思路

高并发的设计思路有两个方向：

1. 垂直方向扩展，也叫竖向扩展

2. 水平方向扩展，也叫横向扩展

## 垂直方向：提升单机能力

提升单机处理能力又可分为硬件和软件两个方面：

- 硬件方向，很好理解，花钱升级机器，更多核更高主频更大存储空间更多带宽

- 软件方向，包括用各快的数据结构，改进架构，应用多线程、协程，以及上性能优化各种手段，但这玩意儿天花板低，就像提升个人产出一样，996、007、最多24 X 7。

## 水平方向：分布式集群

为了解决分布式系统的复杂性问题，一般会用到**架构分层和服务拆分**，通过分层做**隔离**，通过微服务**解耦**。

这个理论上没有上限，只要做好层次和服务划分，加机器扩容就能满足需求，但实际上并非如此，一方面分布式会增加系统复杂性，另一方面集群规模上去之后，也会引入一堆AIOps、服务发现、服务治理的新问题。

因为垂直向的限制，所以，我们通常更关注水平扩展，高并发系统的实施也主要围绕水平方向展开。

# 3、高并发的关键技术

玩具式的网络服务程序，用户可以直连服务器，甚至不需要数据库，直接写磁盘文件。但春运购票系统显然不能这么做，它肯定扛不住这个压力，那一般的高并发系统是怎么做呢？比如某宝这样的正经系统是怎么处理高并发的呢？

其实大的思路都差不多，层次划分 + 功能划分。可以把层次划分理解为水平方向的划分，而功能划分理解为垂直方向的划分。

首先，用户不能直连服务器，要做分布式就要解决“分”的问题，有多个服务实例就需要做负载均衡，有不同服务类型就需要服务发现。

## 集群化：负载均衡

负载均衡就是把负载（request）均衡分配到不同的服务实例，利用集群的能力去对抗高并发，负载均衡是服务集群化的实施要素，它分3种：

1. **DNS负载均衡**，客户端通过URL发起网络服务请求的时候，会去DNS服务器做域名解释，DNS会按一定的策略（比如就近策略）把URL转换成IP地址，同一个URL会被解释成不同的IP地址，这便是DNS负载均衡，它是一种粗粒度的负载均衡，它只用URL前半部分，因为DNS负载均衡一般采用就近原则，所以通常能降低时延，但DNS有cache，所以也会更新不及时的问题。

2. **硬件负载均衡**，通过布置特殊的负载均衡设备到机房做负载均衡，比如F5，这种设备贵，性能高，可以支撑每秒百万并发，还能做一些安全防护，比如防火墙。

3. **软件负载均衡**，根据工作在ISO 7层网络模型的层次，可分为四层负载均衡（比如章文嵩博士的LVS）和七层负载均衡（NGINX），软件负载均衡配置灵活，扩展性强，阿某云的SLB作为服务对外售卖，Nginx可以对URL的后半部做解释承担API网关的职责。

所以，完整的负载均衡链路是 client <-> DNS负载均衡 -> F5 -> LVS/SLB -> NGINX


不管选择哪种LB策略，或者组合LB策略，逻辑上，我们都可以视为负载均衡层，通过添加负载均衡层，我们将负载均匀分散到了后面的服务集群，具备基础的高并发能力，但这只是万里长征第一步。

## 数据库层面：分库分表+读写分离

前面通过**负载均衡解决了无状态服务的水平扩展问题**，但我们的系统不全是无状态的，后面通常还有有状态的数据库，所以解决了前面的问题，存储有可能成为系统的瓶颈，我们需要**对有状态存储做分片路由**。

数据库的单机QPS一般不高，也就几千，显然满足不了高并发的要求。

所以，我们需要做分库分表 + 读写分离。

就是把一个库分成多个库，部署在多个数据库服务上，主库承载写请求，从库承载读请求。从库可以挂载多个，因为很多场景写的请求远少于读的请求，这样就把对单个库的压力降下来了。

如果写的请求上升就继续分库分表，如果读的请求上升就挂更多的从库，但数据库天生不是很适合高并发，而且数据库对机器配置的要求一般很高，导致单位服务成本高，所以，这样加机器抗压力成本太高，还得另外想招。

## 读多写少：缓存

缓存的理论依据是**局部性原理**。

一般系统的写入请求远少于读请求，针对写少读多的场景，很适合引入缓存集群。

在写数据库的时候同时写一份数据到缓存集群里，然后用缓存集群来承载大部分的读请求，因为缓存集群很容易做到高性能，所以，这样的话，通过缓存集群，就可以用更少的机器资源承载更高的并发。

缓存的命中率一般能做到很高，而且速度很快，处理能力也强（单机很容易做到几万并发），是理想的解决方案。

CDN本质上就是缓存，被用户大量访问的静态资源缓存在CDN中是目前的通用做法。

### 缓存也有很多需要谨慎处理的问题：

1. **一致性问题**：(a)更新db成功+更新cache失败 -> 不一致 (b)更新db失败+更新cache成功 -> 不一致 (c)更新db成功+淘汰缓存失败 -> 不一致

2. **缓存穿透**：查询一定不存在的数据，会穿透缓存直接压到数据库，从而导致缓存失去作用，如果有人利用这个漏洞，大量查询一定不存在的数据，会对数据库造成压力，甚至打挂数据库。解决方案：布隆过滤器 或者 简单的方案，查询不存在的key，也把空结果写入缓存（设置较短的过期淘汰时间），从而降低命失

3. **缓存雪崩**：如果大量缓存在一个时刻同时失效，则请求会转到DB，则对DB形成压迫，导致雪崩。简单的解决方案是为缓存失效时间添加随机值，降低同一时间点失效淘汰缓存数，避免集体失效事件发生

但缓存是针对读，如果写的压力很大，怎么办？

## 高写入：消息中间件

同理，通过跟主库加机器，耗费的机器资源是很大的，这个就是数据库系统的特点所决定的。

相同的资源下，数据库系统太重太复杂，所以并发承载能力就在几千/s的量级，所以此时你需要引入别的一些技术。

比如说消息中间件技术，也就是MQ集群，它是非常好的做写请求异步化处理，实现**削峰填谷**的效果。

消息队列能做**解耦**，在只需要最终一致性的场景下，很适合用来配合做流控。

假如说，每秒是1万次写请求，其中比如5千次请求是必须请求过来立马写入数据库中的，但是另外5千次写请求是可以允许异步化等待个几十秒，甚至几分钟后才落入数据库内的。

那么此时完全可以引入消息中间件集群，把允许异步化的每秒5千次请求写入MQ，然后基于MQ做一个削峰填谷。比如就以平稳的1000/s的速度消费出来然后落入数据库中即可，此时就会大幅度降低数据库的写入压力。

业界有很多著名的消息中间件，比如ZeroMQ，rabbitMQ，kafka等。

消息队列本身也跟缓存系统一样，可以用很少的资源支撑很高的并发请求，用它来支撑部分允许异步化的高并发写入是很合适的，比使用数据库直接支撑那部分高并发请求要减少很多的机器使用量。


## 避免挤兑：流控

再强大的系统，也怕流量短事件内集中爆发，就像银行怕挤兑一样，所以，高并发另一个必不可少的模块就是流控。

流控的关键是流控算法，有4种常见的流控算法。

1. **计数器算法**（固定窗口）：计数器算法是使用计数器在周期内累加访问次数，当达到设定的限流值时，触发限流策略，下一个周期开始时，进行清零，重新计数，实现简单。计数器算法方式限流对于周期比较长的限流，存在很大的弊端，有严重的临界问题。

2. **滑动窗口算法**：将时间周期分为N个小周期，分别记录每个小周期内访问次数，并且根据时间滑动删除过期的小周期，当滑动窗口的格子划分的越多，那么滑动窗口的滚动就越平滑，限流的统计就会越精确。此算法可以很好的解决固定窗口算法的临界问题。

3. **漏桶算法**：访问请求到达时直接放入漏桶，如当前容量已达到上限（限流值），则进行丢弃（触发限流策略）。漏桶以固定的速率进行释放访问请求（即请求通过），直到漏桶为空。分布式环境下实施难度高。

4. **令牌桶算法**：程序以r（r=时间周期/限流值）的速度向令牌桶中增加令牌，直到令牌桶满，请求到达时向令牌桶请求令牌，如获取到令牌则通过请求，否则触发限流策略。分布式环境下实施难度高。

# 4、高并发的实践经验

接入-逻辑-存储是经典的互联网后端分层，但随着业务规模的提高，逻辑层的复杂度也上升了，所以，针对逻辑层的架构设计也出现很多新的技术和思路，常见的做法包括系统拆分，微服务。

除此之外，也有很多业界的优秀实践，包括某信服务器通过协程（无侵入，已开源libco）改造，极大的提高了系统的并发度和稳定性，另外，缓存预热，预计算，批量读写（减少IO），池技术等也广泛应用在实践中，有效的提升了系统并发能力。

为了提升并发能力，逻辑后端对请求的处理，一般会用到生产者-消费者多线程模型，即I/O线程负责网络IO，协议编解码，网络字节流被解码后产生的协议对象，会被包装成task投入到task queue，然后worker线程会从该队列取出task执行，有些系统会用多进程而非多线程，通过共享存储，维护2个方向的shm queue，一个input q，一个output q，为了提高并发度，有时候会引入协程，协程是用户线程态的多执行流，它的切换成本更低，通常有更好的调度效率。

另外，构建**漏斗型业务或者系统**，从客户端请求到接入层，到逻辑层，到DB层，层层递减，过滤掉请求，Fail Fast（尽早发现尽早过滤），嘴大***小，哈哈。

漏斗型系统不仅仅是一个技术模型，它也可以是一个**产品思维**，配合产品的用户分流，逻辑分离，可以构建全方位的立体模型。

# 5、小结

莫让浮云遮望眼，除去繁华识真颜。我们不能掌握了大方案，吹完了牛皮，而忽视了**编程最本质的东西，掌握最基本最核心的编程能力**，比如数据架构和算法，设计，惯用法，培养技术的审美，也是很重要的，**既要致高远，又要尽精微**。

数据库 任务调度

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