3千字了解微服务持续演进

第一章、微服务架构

1.1 为什么采用微服务架构？

1.1.1 单体架构和微服务架构

很难用一个绝对的方式去判断架构的好坏，在大多数情况下，我们很难从一个外部的视角去判断服务拆分的合理性，需要对上下文非常了解才能做出好的决策。

可以综合下面表中的多个维度进行分析

1.1.2 什么时候开始微服务架构

产品初期优先使用单体架构，面对一个新的领域，对业务的理解很难在开始阶段就比较清晰，往往是经过一段时间后，才能逐步弄清楚。

在服务划分之前，应该保证基础设施及公共基础服务已经准备好。如：监控服务、自动化运维工具、服务化框架等（灰度发布、资源调度）。

1.1.3 拆分粒度

微服务里面的微应该解释为“合适”，但是这个词比较含糊。对业务不够理解，对团队情况不够理解，都无权协助确定服务的粒度。随着业务发展，粒度可能还会发生变化。

每个人情况不一样，有的公司认为团队规模是决定性的，有的认为交付速度是决定性的，找到你的决定性因素，来做拆分即可。实在找不到合适的依据，可以参考此表。

1.2 微服务设计原则

• 垂直划分优先原则

应该根据业务领域对服务进行垂直划分。

• 持续演进原则

服务数量快速增长带来的架构复杂度急剧升高，开发、测试、运维等环节很难快速适应。非必要情况，应逐步划分，持续演进。

• 服务自治、接口隔离

尽量消除对其他服务的强依赖，这样可以降低沟通成本，提升服务稳定性。

• 自动化驱动原则

服务的增多，部署和运维的成本就会呈指数型增长，应该首先构建自动化的工具和环境。

1.3 微服务架构实施的先决条件

1.3.1 研发环境和流程上的转变

在微服务架构实施之前，要准备相关的环境和流程。

• 自动化工具链

微服务可以基于自动化工具链，以流水线的交付方式串联整个DevOps流程。

• 微服务框架

先进行微服务框架的选型和试用

• 快速申请资源
• 故障反馈机制

需要全面的监控故障，及时处理并发出报警。

• 研发流程转变

需要重建团队，以服务为核心，按照业务领域划分全功能团队。

1.3.2 拆分前先做好解耦

• 状态外置

  1. 定时任务：有很多任务不能重复触发，所以需要把定时任务从业务服务中提取出来，通过分布式任务系统调度。
  2. 本地存储：在本地存储文件的方式比较常见，但是当有多个实例的时候，要么需要全部同步，要么需要路由到一个实例。
  3. 本地缓存：如session数据，可以通过分布式缓存解决

• 去触发器，存储过程

  1. 当有触发器，存储过程时，整体伸缩难以扩展
  2. 当存在水平分表时，可能无法满足需求
  3. 如果触发器，存储过程过多，则会导致运维复杂度增高

• 通过接口隔离

  1. 如果直接去连接其他服务的数据库，当其他服务的数据结构变化，自己的服务也要跟着调整。
  2. 限流某个接口或者缓存也做不成，因为别人直接访问你的数据库

1.4 微服务划分模式

1.4.1 基于业务复杂度划分

当业务复杂度较低时，可以选择基于数据驱动划分服务。数据驱动更容易理解和上手。

1.4.2 基于数据驱动划分服务

数据驱动是自下而上的架构设计方法，强调的是数据结构。也就是分析需求确定数据结构，然后根据表之间的关系划分服务。

（1）需求分析，总结用户故事
（2）抽象数据结构
（3）划分服务
（4）确定服务调用关系，根据流程图来确定
（5）业务流程验证，验证划分的服务是否合适，可以根据以下几个问题来考虑

• 一次更新操作如需跨越几个服务，一致性要求是什么
• 跨服务查询时，是否要做关联查询
• 性能是否满足要求
• 成本是否满足要求

（6）持续优化

1.4.3 基于领域驱动划分服务

领域驱动是自上而下的设计方法，确定关键业务场景，确定业务边界。领域驱动更注重业务实现效果，认为自下而上的设计会让技术人员不能很好的理解业务方向，进而偏离业务目标。

1.4.4 从已有的单体架构中划分服务

（1） 通常前后端分离是第一步
（2） 提取公共基础服务
（3） 不断地从老系统中抽象出服务，垂直划分优先

1.4.5 微服务拆分策略

• 比较独立的新业务
• 优先抽取通用服务
• 优先抽取比较容易识别的，边界比较明显的服务。包结构比较清晰的，比较好操作。
• 优先抽象核心服务。边缘服务抽出去还要增加维护成本没有必要
• 优先抽象具有独立属性的服务

第二章：敏捷基础设施

2.1 传统基础设施面临的挑战

• 资源利用率低，服务器没有被完全利用
• 服务器数量呈爆炸性增长
• 没有标准化，因为一些事故，导致运维操作了某台服务器，那么这台与其他服务器有差异
• 脆弱的基础设施。传统运维方式花费大量时间

2.2 敏捷基础设施

第一阶段：运维“全人肉”操作

第二阶段：脚本阶段

第三阶段：工具阶段。通过私有云管理虚拟机，通过CI工具实现持续部署。运维人员通过虚拟机镜像来封装常用依赖环境。但是开发环境、测试环境、生产环境差距很大。可能开发环境可以的，上了测试环境不行

第四阶段：敏捷基础设施阶段，无须运维人员，全部自动化，通过容器封装环境，实现开发、测试、生产环境的一致。敏捷基础设施也可称为基础设施既代码，基础设施配置可以当作编写代码进行。整个过程只需要开发人员负责，无需运维人员参与。

2.3 基于容器的敏捷基础设施

敏捷基础设施的目标如下：

• 标准化
• 可替换。任意节点能够被轻易的创建，销毁，替换
• 自动化。
• 可视化。当前环境要做到可控，就需要对当前环境情况可视
• 可追溯。所有的配置统一作为代码进行版本化管理
• 快速。资源申请和释放要求秒级

目前比较常用的基础设施自动化工具有：Ansible、Chef、SaltStack、Terraform等。

2.3.1 容器 VS 虚拟机

容器和虚拟机的区别：虚拟机是在硬件的基础上进行虚拟化，隔离性更高，而容器是在操作系统上进行的虚拟化。严格意义上来说，容器并不是虚拟化，因为所有容器是共享内核的。区别如图所示：

• 资源利用率。容器更轻量级，比虚拟机资源利用率更高
• 创建速度。Docker的启动速度是秒级的，虚拟机启动是分钟级的
• 性能。虚拟机需要运行完整的Guest OS，不可避免的会出现性能损失。而容器相当于一个进程，性能相当于物理机
• 隔离性。虚拟机隔离性更高。

2.3.2 Docker

安装及使用

2.4 监控告警服务

传统的监控更强调以资源为中心，关注CPU、内存、宽带等。这种方式不够精确。现在更偏向于应用，如订单量下降一半是否存在问题，吞吐量到达阈值后先关注依赖的其他系统是否正常在弹性伸缩。

2.4.1 监控数据采集

（1）直接上报
（2）通过打印的日志上报
（3）通过agent上报

2.4.2 通过Prometheus和Grafana监控

2.5 分布式消息中间件

2.5.1 常见的消息中间件

ActiveMQ

优点：历史悠久，功能丰富，能够适配各种协议，文档多，有鉴权机制，多语言客户端

缺点：性能差、只支持主从，扩展性差

RabbitMQ

优点：可以看作ActiveMQ的改进版，用Erlang语言实现，性能比ActiveMQ高

缺点：虽然性能有所提高，但是对比Kafaka、RocketMQ还有差距。只支持主从，扩展性差

Kafka

优点：性能非常高，0.8版本后可靠性得到了保障，分布式能力强大。

缺点：支持的协议少，工具少

RocketMQ：

优点：基于Java语言开发，模仿了Kafka的设计理念，继承了高性能，分布式能力强的优点。同时有一些对企业比较好的功能，如：消息服务端过滤，定时消息等。

2.5.2 Kafka的设计原理

• Broker：Kafka的服务端，负责接收数据，并持久化数据，Broker可以有多个，每个Broker可以包含多个Topic，Broker并不保存Offset，由Consumer自己保存，默认保存在Zookeeper中
• Producer:生产者。生产数据发送到Broker，Producer直连Broker，不经过任何代理。Producer还有异步发送功能，也就是说多条消息缓冲到客户端，达到一定数量或时间后，批量发送给Broker。通常Producer是一个包含Kafka客户端的业务服务。
• Consumer：消费者。业务服务从Broker订阅Topic。每个消费组属于某个消费者组，一个组里的消费者订阅的是同一个Topic，同一个组的消费者分别订阅同一个Topic下面的不同的Partition的数据。每个Partition只能被一个消费者订阅，
• Topic：主题。Topic更像一个逻辑概念，每个Topic下包含了多个Partition，所有的元数据都存在Zookeeper中。
• Partition：分区。Kafka为了扩展性，提升性能，可以将一个Topic拆分为多个分区，每个分区可以独立放到一个Broker上。

2.5.3 为什么Kafka性能高

• 顺序访问磁盘，访问速度比随机访问磁盘快了非常多
• 零拷贝

2.5.4 Kafka的数据存储结构

Kafka的存储设计基于日志实现，非常简单。这里的日志是按时间序列排列的追加记录序列，只能在末尾添加，不能修改，以此来利用磁盘顺序写的能力。

一个Partition是一个文件夹，每个Partition下包含多个Segment。物理上每个Segment包含两种文件，一个是数据文件，以log结尾，一个是索引文件，以index结尾。

2.5.5 如何保证Kafka不丢消息

1.ACK

生产消息投递到Broker时，可以通过ACK保证消息投递

• 最多一次。消息可能会丢失
• 最少一次。消息绝对不丢，但是会重复
• 有且只有一次

2.复制机制

谈到复制机制，必须先从消息的持久化谈起。Linux写文件有如下三种方式。

• 直接持久化到磁盘
• 写到内核态Buffer，间隔一段时间刷新一次磁盘
• 数据直接持久化，元数据间隔一段时间持久化

RocketMQ可以在配置文件上设置前两种写文件的格式，Kafka当前版本还不支持。因此单机的可靠性上RocketMQ优于Kafka。Kafka保证可靠性的依赖是复制机制。

举例说明，假如Topic1复制因子设置为3，分区数为2。当生产者发送消息时，先计算属于哪个Partition，如果属于part1，则会发送至Broker0，写入Topic1-part1-leader，Broker1和Broker2下面的Topic1-part1-follower会去拉取消息并复制到本地，一旦副本数够了，leader就会提交。

3.消息删除机制
Broker默认7天才删除消息

4.发送消息
Kafka支持在生产者一侧进行本地buffer，也就是累积到一定条数才发送。生产端可以设置producer.type=async\sync，默认为sync。当然设置为async会提高性能，但是如果消息缓存到了本地，还没发出去就挂了，就会丢消息。

5.消费消息
消费消息的时候，如果更注重可靠性，可以显示提交Offset，也就是当业务都处理完了再提交Offset，当然这可能会导致重复消费，需要提供幂等性接口。

2.6 分布式缓存服务

2.6.1 分布式缓存的应用场景

按照缓存的位置分类，可以分为本地缓存和分布式缓存。相较于本地缓存，分布式缓存有具有如下优点：

• 不需要各个业务节点同步数据
• 能够做到业务服务无状态
• 不需要管理数据。例如Java，本地内存多了会导致FullGC

当然本地缓存也有优点，性能更高，不用维护额外的缓存服务。

那么什么样得数据可以放进缓存：

• 数据量比较小
• 不经常变化
• 计算代价比较高的
• 核心热点数据

相反，什么样的数据不应该被缓存呢？

• 变化比较快的数据
• 要求强一致性的数据

2.6.2 常用的分布式缓存Memcached

Memcached是一款开源、高性能的分布式内存对象缓存系统。

2.6.3 常用的分布式缓存Redis

可以基于Codis实现Redis分布式缓存集群

Codis是一个基于代理的分布式Redis解决方案，业务应用可以像使用单机Redis那样使用它。

2.7 分布式任务调度服务

一般对可用性和性能要求不高的任务，采用单点即可，例如Spring的Quarz。但是对可用性的要求更高的话，上面的方案就不适用了。

分布式调度至少满足两个要求：

• 不重复的执行任务
• 不遗漏的执行任务

2.7.1 通过Tbschedule实现分布式调度

Tbschedule是阿里开源的分布式任务调度系统，后期维护较少，但是代码简单，可塑性好。

2.7.2 通过Elastic-Job实现分布式调度

由当当开源的，国内应用十分广泛。原理是通过Zookeeper作为分布式协调服务实现任务调度的。

2.8 如何生成分布式ID

1. UUID

UUID由以下几部分组成：

• 当前日期和时间
• 时钟序列
• 全局唯一的IEEE机器识别号，如果有网卡，则从网卡MAC地址获得。

2. SnowFlake

核心算法是毫秒级时间41位+10位机器ID+毫秒级内序列12位。
3. Ticket Server

利用Mysql自增长ID实现。可以利用多台Mysql实现高扩展性和高可用性。

首先要保证ID是全局唯一的，另外，由于无法统一分布式环境的每台服务器的时钟，无法做到全局递增，因此A服务可能取ID早，但是入库晚。因此分布式ID无法保证全局顺序性。

第三章、可用性设计

3.1 可用性概述

3.1.1 可用性描述

可用性：是关于系统可以被使用的时间的描述，以丢失的时间为驱动。

可用性的衡量标准通常是以N个9来量化的。

可用性等级表：

3.1.2 是什么降低了可用性

• 发布。当应用需要升级的时候，为了更好的用户体验，应用不能中断，如果需要迁移数据，会导致整个流程非常复杂。为了降低复杂度和成本，我们通常会暂时中断服务。
• 故障。如内存溢出。
• 压力。流量突然增大会造成系统宕机。
• 外部强依赖。如果外部依赖的服务发生故障，则会导致调用异常。

3.2 逐步切换

3.2.1 影子测试

影子测试是一种常用的生产环境中通过流量复制、回放、对比的测试方法。先同步新老数据库内的数据，在不影响老服务的情况下，在负载均衡的位置记录请求日志，通过日志回放服务向新服务发送请求，新服务正常处理业务逻辑后入库，最后对比验证服务、两个库之间的数据差异。如果比对都正确，说明新服务和老服务逻辑上是等价的。

3.2.2 蓝绿部署

在生产环境中，除了正在运行的环境（蓝色环境），还需要冗余一份相同的环境（绿色环境）。如果要将服务由v1升级到v2,则先在绿色环境上部署，测试通过后将流量、路由指向绿色环境，一旦发生故障需要回退时，只需要切换到蓝色环境即可。

虽然听起来不错，但是需要注意以下细节：

• 最好有自动化的基础设施支持
• 全面的监控
• 两套环境隔离风险，有互相影响的风险
• 难点是数据结构发生变化时，如何同步数据，故障后如何回滚
• 切换时需要优雅的终止，禁止直接kill进程

3.2.3 灰度发布、金丝雀发布

金丝雀发布和灰度发布很像。

金丝雀发布：
（1）在负载均衡列表中摘掉一个节点，作为“金丝雀”服务器。
（2）在“金丝雀”服务器上部署新版本
（3）进行自动化测试
（4）将“金丝雀”节点添加到负载均衡列表上
（5）如果发生故障，则回滚
（6）如果没有问题，则逐步升级剩余的其他节点。

灰度发布的意义在于：

• 减少波及的范围
• 尽早得到用户的反馈

一般互联网公司还会有独立的灰度发布引擎，由运维人员设置规则，可以使内部员工用户先进入新版本进行测试。

流程如下：
内部员工-》外部1%用户-》5%用户-10%用户-》全网发布

3.3 容错设计

3.3.1 消除单点

多节点部署

3.3.2 特性开关

当某个功能有问题时，可以通过开关关掉。

3.3.3 服务分级

服务分级实际上就是服务的标签，表示服务的关键程度。

3.3.4 服务降级

降级是指为了保障核心功能，利用目前有限的资源，通过开关关闭非核心服务。

通常有哪些方式呢？

• 关闭某个功能
• 请求短路，直接返回缓存结果
• 简化流程，直接放弃某个操作。如给用户发注册成功短信
• 延迟执行，停止定时任务，如某些结算

降级的前提是进行分级，需要在设计阶段明确降级的条件，是吞吐量太大了，还是响应时间太长了，或者是某个依赖服务不可用了。

降级的方法如下：

• 页面加开关，通过js控制是否隐藏
• 关闭低级别服务前端页面。例如一些运营系统
• 关闭定时任务。有一些非核心的定时任务可以延迟在跑
• 预先定义降级逻辑。在配置中心配置一个变量，预先定义好变量的含义，例如变量值为3，则控制3级以下的服务不可调用
• 降低精确度。例如在电商中库存可以显示为无货、有货，而不是具体的数量。

总之，降级是不得已而为之的，至少比宕机的用户体验好。

3.3.5 超时重试

需要考虑如下参数：

• 超时时间
• 重试总次数
• 重试的间隔时间
• 重试间隔时间的衰减度

方案：基于spring-retry进行重试

<dependency>
    <groupId>org.springframework.retry</groupId>
    <artifactId>spring-retry</artifactId>
    <version>1.3.0</version>
</dependency>

方案：基于Guava-retrying进行重试

<dependency>
    <groupId>com.github.rholder</groupId>
    <artifactId>guava-retrying</artifactId>
    <version>2.0.0</version>
</dependency>

3.3.6 隔离策略

隔离是为了发生故障时，限制传播范围。

• 线程池隔离
• 进程隔离
• 集群隔离
• 用户隔离
• 租户隔离

通过Hystrix实现隔离。

3.3.7 熔断器

可以配置超时时间、一个统计窗口内失败多少次熔断、熔断多少秒后去重新尝试、失败率达到多少熔断等。

3.4 流控设计

3.4.1 限流算法

固定窗口算法

对于限流来说，最简单的方法就是通过一个变量记录单位时间内的访问次数。例：如果一分钟内请求次数超过1000，那么拒绝1000以后发过来的请求，1分钟后次数归零。

但是这个算法有个漏洞，就是在次数清零的前后，是可能突然各涌入1000的请求的，就会有2000的请求并发。

漏桶算法

漏桶算法是控制数据注入网络的速率，平滑网络上的突发流量。

漏桶算法简单描述如下：

• 水（请求）先进入漏桶（队列）
• 漏桶（队列）以一定的速度出水（请求）
• 水（请求）过大会直接溢出（丢弃数据包）

漏桶算法可以看作是一个先进先出的队列。当队列填满的时候，抛弃新请求，队列不保证某个时间点内请求一定会得到处理。往往当消费端处理能力有限时，通过消息队列削峰。例如秒杀场景：如果最后只秒杀一个商品，那么队列保留适当的请求，就能保证结果成功，不必处理所有请求。

令牌桶算法

令牌桶控制的是一个时间窗口内通过的数据量，通常以QPS、TPS衡量。

令牌桶简单描述如下：

• 每秒会有x各令牌放入桶中
• 桶中最多放n各令牌，如果桶满了，则新放入的令牌丢弃
• 当一个m字节的数据包到达时，消耗m个令牌，然后发送数据包。
• 如果桶中可用令牌小于m个，则该数据包将被缓存或丢弃。

令牌算法和漏桶算法不一样，令牌桶允许突发流量，只要有令牌就可以执行。

3.4.2 流控策略

在分布式系统中，每个环节都要考虑流控。限流一般是根据压测结果、生产环境上的表现对各个服务进行设定。

通常，下面几个重要的节点需要考虑。

• 请求入口处。如Nginx
• 业务服务入口处
• 公共基础服务处

3.4.3 基于Guava限流

3.4.4 基于Nginx限流

连接数限流模块：ngx_http_limit_conn_module

请求限制模块：ngx_http_limit_req_module

3.5 容量预估

传统的压测方式是在测试环境下进行的，针对场景进行数据模拟，需要开发、测试人员根据线上的场景，评估可能出现的情况。但是这种做法非常不准确，很难模拟出接近生产环境的场景和数据。

互联网公司普通采用全链路压测的方式。全链路压测平台在请求入口进行真实的流量复制，为了加大压力，可以通过TCPCopy的参数调节。在数据库一侧通过影子表进行隔离，影子表和生产表建立相同的数据结构，通过后缀区分。

全链路压测需要注意以下几点：

• 找到核心流程，全链路压测成本巨大，不可能全做，一个系统中核心的20%才是压测的目标
• 选择隔离方式。一种是独立的环境进行压测，隔离效果好。另一种是和生产环境混合，通过参数识别，在框架里进行特殊处理
• 缩小依赖服务范围。如果对A服务压测，那么A服务依赖的服务如何配合。

3.6 故障演练

我们害怕故障，做了很多应对策略，但是这些策略在没有测试的情况下谁也不敢轻易启用。

阿里也进行故障演练，他的工具叫MonkeyKing，可以模拟硬件故障、API故障、分布式故障、数据库故障。

3.7 数据迁移

因为大多数服务是从单体架构开始，伴随业务的发展开始拆分，所以会涉及到数据迁移。

3.7.1 逻辑分离，物理不分离

是指老服务和新服务放在同一个库里，建立不同的表名，从代码层面实现隔离、解耦。数据迁移可以通过触发器实现，或者双写的方式实现。

3.7.2 物理分离

新服务和老服务的数据通过不同的数据库物理隔离。可以使用相同的表名，数据同步需要额外的方案实现。

• 利用数据库同步工具读取binlog
• 业务应用上写两个库
• 老系统在写数据库的同时，发消息到中间件实现同步

第四章、可扩展性设计

4.1 横向扩展

横向扩展：指用更多的节点支撑更大量的请求。
纵向扩展：扩展一个点的能力支撑更大的请求。例如将磁盘升级为SSD。

4.2 扩展数据库后查询

4.2.1 带拆分键

拆分的时候携带拆分键，通过对拆分键进行路由查询，就知道查哪张表了，不然并行的去查所有表导致性能问题。

4.2.2 拆分库之后的关联查询

订单表和用户表是分别在不同的数据库，那么要想查询“订单金额大于100的用户”就比较麻烦。

方案1：建立多维度数据库

尝试建议一个综合数据库，相当于为了进行关联查询多冗余了一份数据。电商系统中，商品、价格、库存划分为了多个数据库。

可以建立一个综合数据库更新时，通过消息中间件更新到综合数据库内。
查询时，直接从综合数据库查询。

方案2：建立外部搜索引擎

通过分布式搜索引擎进行全文检索

方案3：通过分布式缓存

通过分布式缓存冗余数据。如果数据量比较少，可以采用这种方式。

4.2.3 数据库分表经典案例

案例1： 活动平台数据表水平切分

假设有一个活动平台，管理员可以创建活动，为活动添加用户，针对一个活动给用户发送促销短信或邮件提醒。

通常用户数据大的时候，会把用户单独在一个数据库中。活动和活动关系表放在另一个数据库中。

但是如果活动用户关系表数据量很大时，如果按活动进行分片，就会导致热点数据，因为有的活动关注的用户多，有的活动关注的用户少。
如果根据用户分片的话，那么要查询关注某活动的所有用户，就需要遍历所有分片查询。

实际上，关系数据就是两个id而已，存储空间不大。可以优先考虑做缓存，不做分区。

案例2：SNS数据表水平切分

比如微博、微信。他们主要结构包括用户表，用户关系表（谁关注了谁）、消息表（发的微博、朋友圈）。在微博中，首页通常是timeline（指你可以看到你关注的人的所有消息，通常按时间排序），还有一个页面是profile(自己或单个人发布的所有消息)。当消息的量很大时，要进行水平切片，那么如何保证查询不去遍历所有分片呢?

如果按照发布消息的用户id进行分片，那么查询自己或某个人的消息还好，只用一个分片内能查询到。但是要查所有关注者的消息，那就得遍历所有分片了。

可以再增加一个消息内容表，让所有timeline的数据在一个分片内取到。他带来的问题就是浪费资源。这也是Twitter采用的方案，由于国内的SNS存在大量僵尸用户，一般采用推拉结合的方式兼顾。

案例3：电商数据表水平切分

电商中以订单为典型，一个订单包含id，卖家id，卖家id三个重要的查询关键字。为了简化，先不考虑订单与子订单相关的内容。该如何选择水平切分呢？

方法1：外置搜索引擎查询

方法2：让订单id和买家id建立联系。在水平分表的时候可以截取买家id的后几位加在生成订单id的末尾。这样订单id和买家id就建立了联系。通过这两个条件查询都不用遍历所有表。

第五章、性能设计

5.1 性能指标

• 响应时间
• 吞吐量。单位时间内的响应次数

在资源一定的情况下，性能优化的本质就是榨取资源，利用一切可利用的资源。CPU消耗少的时候，可以考虑增加线程榨取CPU的能力。

5.2 定位瓶颈点

1. 压力测试
2. 日志分析
3. 监控工具

• dstat是一个全能系统信息统计工具
• sar是目前linux是最为全面的性能分析工具之一，可以查看文件读写情况、系统调用、磁盘IO、CPU、内存、进程活动等。
• netstat 可以用来查看网络系统的状态信息
• tcpdump可以用来查看网络连接的封包内容。

5.3 服务通信优化

5.3.1 同步转异步

可以利用ajax技术实现异步

5.3.2 阻塞转非阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程被挂起，调用线程只有得到结果才会被返回。当异步调用的时候，如需返回结果，有如下三种方式：

• 状态：通过变量实现，需要主线程不断轮询变量结果
• 通知：通过消息的方式，比状态更高效。
• 回调：本质上和通知类似，如ajax中的回调函数。

在Java中，如果需要返回结果可以采用future模式。因为是异步，调用future.get()的时候不一定能获得结果，如果还没有结果，则会被阻塞。Future是通过轮询或阻塞等待的方式，才能得到结果。更好的方式是通过callback，也就是执行结束的时候异步通知完成状态，然后去future中取执行结果。JDK中有future，但是不支持callback模式。还好Guava给我们提供了ListenableFuture。

5.3.3 序列化

从左往右分别是Avro、Thrift、Protobuf、gRPC、HTTP+json。可以看出前三个是一个级别的，相差不大。gRPC响应时间稍多一点，HTTP+json最慢。

5.4 通过消息中间件提升写性能

当规模不断变大后，数据库通常成为限制系统性能的主要因素。Mysql5.7单表字段个数为8，数据量为500万，写的吞吐量大约在1000TPS左右。而Kafka三节点集群的吞吐量能达到10万TPS。当然水平分表也可以提升吞吐量，但是水平分表带来的复杂度非常难解决。

5.5 通过缓存提升读性能

常见的缓存包括客户端缓存、HTTP缓存、操作系统缓存、CDN、代理缓存、数据库缓存等。

5.5.1 Guava Cache本地缓存

他比HashMap做缓存好的地方在于，他可以设置过期时间，回收空间。

• maximumSize定义了缓存的容量大小，达到了容量大小就会进行LRU缓存回收
• concurrencyLevel定义了Segment的数量，因为Guava Cache重写了ConcurrentHashMap,concurrencyLevel越大，并发能力越强
• expireAfterWrite定义了缓存过期时间
• refreshAfterWrite定义了缓存定时刷新时间

5.5.2 使用缓存常见问题

1. 缓存数据需要设置合理的过期时间
2. 为缓存设置回收策略

常见回收算法：FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）、LFU（最不常用）
3. 先预热数据

5.6 数据库优化

数据库通常是各个系统中最难以扩展的点。一般有以下可以优化的地方：

• 索引、冗余、批量写入
• 减小锁粒度
• 减少复杂查询
• 适当转移事务处理
• 提升硬件性能
• 读写分离
• 分库
• 垂直分表
• 水平分表
• 根据业务情况选择其他数据库

5.6.1 优化慢sql

1. 通过Explain 分析sql语句
2. 通过慢日志分析瓶颈点

5.7 简化设计

架构是需要全方位考虑的，不可能完全从技术角度去解决问题。除了高性能，还需要考虑架构的复杂度、成本、代码可读性、维护性。

5.7.1 转移复杂度

如让我们设计一个抢红包的功能。抢红包的时候如果通过加锁的方式实现，那么数据库压力会很大。单纯从数据库优化的角度去实现，问题会变得越来越复杂。如果把这些抢红包的请求排序，串行修改数据库，那么数据库就不需要加锁了。

另外拆红包的时候的请求数量肯定比发红包的请求数量大，我们可以在发红包的时候就算好随机金额，拆的时候直接返回，这样并不会降低用户体验。

5.7.2 从业务角度优化

大家通常认为12306网站买票像秒杀，实际上比秒杀复杂的多。秒杀无论前端放出多少流量，后端可以根据库存去抛弃多余的量。12306网站并非如此，除了固定时间放出所有的票，其次用户买票的起始站点都不一样，排列组合有很多。

从业务角度可以这么优化：1.分时段放票。2.分地区放票。3.票的剩余数量不具体显示，只展示有票、无票等文字。4.最终采用排队的方式、满足最终一致性即可。

第六章、一致性设计

6.1 基础理论

6.1.1 单机事务

事务的四大特性：

• 原子性

指通过事务保证所有操作是不可分割的，要么全成功、要么全失败

• 一致性

指通过事务保证数据从一种状态变化到另一种状态。至少事务结束前，所有数据处于有效状态。一致性的核心是事务处理的中见状态不可见。

• 隔离性

是指事务内的操作不受其他操作的影响，多个事务同时处理同一个数据的时候，多个事务是互不影响的。

• 持久性

指事务被提交后，应该持久化，永久保存下来。

6.1.2 CAP定理

• 一致性
• 可用性
• 分区容错性

6.1.3 BASE理论

• BA：Basically Available 基本可用
• S：Soft state，软状态
• E：Eventually consistent，最终一致

BASE理论的核心思想是：如果做强一致性无法做到，或者要付出很大的代价，那么可以根据自身业务特点，采用适当的方式使系统达到最终一致性，只要最终对用户没有影响或者影响是可接受的即可。

6.2 如何实现强一致性

两阶段提交
三阶段提交

6.3 如何实现最终一致性

• 重试机制
• 本地记录日志
• 可靠事件模式
• TCC事务模型

TCC是下面三个单词的简写：Try、Confirm、Cancel

TCC的优点是：是在业务层处理，平衡数据库压力。比2PC性能好很多，没有真正在数据库加锁。

缺点是：增加业务复杂度，需要提供Try、Confirm、Cancel接口。需要提供幂等性接口

支付宝目前的XTS框架就是采用的TCC模式。

6.4 分布式锁

6.4.1 分布式锁的实现方式

1. 基于数据库实现悲观锁和乐观锁

2. 基于Zookeeper实现分布式锁

• 客户端连接zookeeper，并在/lock（自己定）目录下创建一个临时有序节点。第一个客户端对应的子节点为/lock/lock-0000000000，第二个为/lock/lock-0000000001，以此类推；
• 查询/lock下的所有子节点列表，判断自己创建的子节点是否为序号最小的，如果是就代表拿到了锁，否则监听刚好在自己之前一位的子节点的删除事件，获得变更通知之后重复此步骤。
• 拿到锁后执行业务代码
• 完成业务流程后，删除对应的子节点释放锁

3. 基于Redis实现分布式锁

可以根据SETNX实现。但是存在很多问题。

问题1：超时问题？

如果线程A拿到锁，执行的比较慢，那么你超时时间就需要设置的比较长，那么就会阻塞很久。

问题2：如何释放锁？

能直接删除吗？不能。如果线程A拿到锁，业务执行完了，去查询看锁超时没有，查询到没有超时，这时他准备去删除锁。刚要删还没删的时候这个锁超时了，线程B进来拿到锁，那么线程A的删除操作就把B的锁删了。

解决方案是，SETNX的时候，value值可以在客户端生成一个随机值，删除的时候判断是自己生成的再删。

问题3：单点问题如何解决？

redis是单点的，如果宕机了，那么整个系统就会崩溃。如果是主从结构，那么master宕机了，存储的key还没同步到slave，此时slave升级为新的master，客户端2从新的master上就能拿到同一个资源的锁。这样客户端1和客户端2都拿到锁，就不安全了。

解决方案：RedLock算法。简单说就是N个（通常是5）独立的redis节点同时执行SETNX，如果大多数成功了，就拿到了锁。这样就允许少数节点不可用。

6.5 如何保证幂等

1. 利用redis
2. 利用数据库的唯一约束