高并发应用设计

一、高并发的说明和背景

高并发解决的核心问题是在同一时间上有大量的请求过来，然后我们的系统要怎么抗住这些请求带来的压力。比如在线直播服务，同时有上百万甚至上千万人观看。比如秒杀品，同时有大量用户涌入。

高并发是从业务角度去描述系统的能力，实现高并发的手段可以采用分布式，也可以采用缓存等，当然也包括多线程、协程，但远远不仅如此；高并发的基本表现为单位时间内系统能够同时处理的请求数，高并发的核心是对资源的有效压榨，有限的资源应对大量的请求。

现代互联网服务，基本上都要考虑高并发问题，因为一般的产品，用户的请求量都很大。

 

二、高并发架构设计经验

高并发架构设计，需要从三大层来建设和分析

• • 基础设施层：这个是最基础的依赖，主要是一些服务的部署。针对大公司而言，一般都有成熟的系统和基础设施来承载，可能针对业务开发的同学来看，平时关注的的细节并不深入，但是不妨碍我们从全局角度来剖析高并发的设计。
• • 服务端架构层：这个是我们重点要关注的架构设计，架构设计不合理，就很难抗住高并发，主要包括各种架构和模块的设计。

• • 服务应用层：这个主要是针对我们写的代码来进行优化改进。从代码架构、代码性能等方便去抗并发。

 

2-1、基础设施层

部署：多 IDC + 异地多活

基础设施层一般包含了服务器、IDC、部署方式等等。目前而言，我们一般都用容器部署的方式，而容器的底层能力基本也都是建立在 k8s 容器层之上的，服务本身的部署管理已经有成熟的设施帮我们实现了。具体到部署方式，包括但不限于：

• • 多 IDC 部署。比如服务同时在广州、上海两地部署。这个依赖我们的服务是无状态的

• • 其他的参考下 异地多活架构等相关部署。

监控：可观测性

系统的可观测性主要包含三个部分: logging、tracing、metrics。这个一般都要引入可观测系统，这样才能帮助我们在异常的时候能够快速定位问题。属于必备设施，一般而言，公司应该都有专门的团队去做这个事情。

 

2-2、服务端架构层

服务端架构层是我们重点要关注的，这个也是考量个人架构能力的最关键部分。

系统分层设计：分层、分割、分布式

• • 架构分层

• • 应用层：网站首页，用户中心，商品中心，购物车，红包业务，活动中心等，负责具体业务和视图展示

• • 服务层：订单服务，用户管理服务，红包服务，商品服务等，为应用层提供服务支持

• • 数据层：关系数据库，nosql数据库 等，提供数据存储查询服务

• • 将系统在横向维度上切分成几个部分，每一层的功能职责要足够单一，然后通过上层对下层的依赖和调度组成一个完整的系统

• • 比如把电商系统分成：应用层，服务层，数据层。(具体分多少个层次根据自己的业务场景)

• • 业务分割

• • 在纵向方面对业务进行切分，将一块相对复杂的业务分割成不同的模块单元，对应的是模块的划分，通过合理的模块划分，使得每个模块都能可以满足 高内聚低耦合 的设计要求，这样不同的模块可以分布式部署，也能提高并发处理能力和功能扩展

• • 比如用户中心可以分割成：账户信息模块，订单列表模块，充值模块，优惠券模块等

• • 分布式

• • 分布式应用和服务,将分层或者分割后的业务分布式部署，独立的应用服务器，数据库，缓存服务器，当业务达到一定用户量的时候，再进行服务器均衡负载，数据库，缓存主从集群

集群架构设计：应用集群、数据集群

应对高并发系统，不管是应用层面还是数据层面，单机都不可能搞定，因此都需要搭建集群架构，然后通过负载均衡来对外提供服务。同时集群架构还能保证系统的可用性，当某台服务或者机器异常，负载均衡会自动剔除，不会影响对外服务。

• • 应用服务器集群

• • nginx 反向代理

• • slb

• • LVS …

• • 数据集群(关系/nosql数据库)

• • 主从分离，一主多从

• • 数据读写分离

数据库设计：读写分离+分库分表+冷热分离

应对高并发，数据的存储，首先就要做好预估，先进行分库分表 和 读写分离，最后可以根据情况来看是否冷热分离：

• • 读写分离。互联网系统大多数都是读多写少，因此读写分离可以帮助主库抗量。一般我们都是一主多从的架构，可以抗量，也可以保证数据不丢。分库分表只能解决 QPS 高，但是无法解决 TPS 高，比如写入的量足够大的话（TPS 高），就得读写分离。

• • 分库分表。数据存储量大的时候，就需要通过分库分表来存储。先分，避免后期要拆，后期拆的话，就面临洗数据的问题，就需要采用双写模式来搞定。

• • 分库分表模式虽然能显著提升数据库的容量，但会增加系统复杂性，而且由于只能支持少数的几个维度读写，从某种意义上来说对业务系统也是一种限制，因此在设计分库分表方案的时候需要结合具体业务场景，更全面的考虑。

• • 冷热分离。针对业务场景而言，如果数据有冷热之分的话，可以将历史冷数据与当前热数据分开存储，这样可以减轻当前热数据的存储量，可以提高性能。

不过，既然是高并发系统，不能应用层直接读写 DB 的，一定有一个缓存在上面，如果直接读写 DB 能够搞定，其实不能叫高并发了，只能说是并发有点高。在非互联网系统里面还是可以的。

缓存设计：多级缓存架构和本地缓存

缓存的最大作用是可以提升系统性能，保护后端存储不被大流量打垮，增加系统的伸缩性。缓存的设计，需要分多个思路并行

• • 首先要考虑的，就是必须在数据库之上，增加一层分布式缓存，比如 Redis 或者 Memcached。

• • 这里需要考虑一下缓存和数据库一致性的问题。

• • 其次需要考虑的是多级缓存架构。分几级缓存设计，同时设计热点缓存架构。

• • 在分布式缓存之上，还可以加一个本地缓存，来缓存最热的数据

• • 采用多个分布式缓存来搭建多级缓存。

消息队列设计：MQ 抗量和削峰

针对流量突峰，仅仅有缓存来抗量可能还不够，还需要使用消息队列来削峰。使用消息队列后，可以将同步处理的请求改为 通过消费 MQ 消息来异步消费，这样可以大大减少系统处理的压力，增加系统的并发量。常用的消息队列比如 kafka。

服务治理设计：超时、熔断、降级、限流等

超时、熔断、降级、限流等都是常规策略，可以在另外服务治理章节去细看。

资源隔离设计：SET 部署

资源隔离有各种类型，物理层面的服务器资源、中间件资源，代码层面的线程池、连接池，这些都可以做隔离。

一般我们最常见的就是应用部署层面的，比如 SET 化部署。一个服务对外的使用方可能有 A 业务、B 业务，那么如何保证 AB 业务不会相互影响，那么就是 SET 化部署。SET 化部署也可以防止非关键业务来影响关键核心业务。一个隔离的维度可以是按业务场景区分，分为关键集群、次关键集群和非关键集群三类，这样能避免关键和非关键业务互相影响。

SET 化部署就是把业务系统分为多个可扩展的逻辑分区，每个 SET 化的逻辑分区都可以独立部署并提供服务，SET 也可以理解为 ”逻辑机房“ ，主要目的就是为了进行独立部署并且做到业务上的逻辑隔离。

关于 SET 的具体例子：微信红包用户发一个红包时，微信红包系统生成一个ID作为这个红包的唯一标识。接下来这个红包的所有发红包、抢红包、拆红包、查询红包详情等操作，都根据这个ID关联。红包系统根据这个红包ID，按一定的规则（如按ID尾号取模等），垂直上下切分。切分后，一个垂直链条上的逻辑Server服务器、DB统称为一个SET。各个SET之间相互独立，互相解耦。并且同一个红包ID的所有请求，包括发红包、抢红包、拆红包、查详情详情等，垂直stick到同一个SET内处理，高度内聚。通过这样的方式，系统将所有红包请求这个巨大的洪流分散为多股小流，互不影响，分而治之，

 

2-3、服务应用层

多线程、线程同步、协程

并发问题一直是服务端编程中的重点和难点问题，为了优化系统的并发量，单机解决高并发问题从最初的 Fork 进程开始，到进程池/线程池，再到 Epoll 事件驱动(Nginx)，再到协程（如 Goroutine）。

对于 Go 语言，尽可能的多使用协程去提高并发能力。

异步化

消息队列也是一种异步化操作，但是除了依赖外部的中间件如消息队列，在应用内我们也可以通过线程池、协程的方式做异步化，能异步的尽量异步处理，这样可以提高并发。

预处理：预加载、预热

系统的预热一般有JVM预热、缓存预热、DB预热等，通过预热的方式让系统先“热”起来，为高并发流量的到来做好准备。预热实际应用的场景有很多，比如在电商的大促到来前，我们可以把一些热点的商品提前加载到缓存中，防止大流量冲击DB。

还有一种预热的思路是利用业务的特性做一些预加载，比如 feeds 流刷新的时候，提前加载 1-2 页数据，这样用户往下刷新的时候，就感觉不到卡顿。