電商網(wǎng)站秒殺與搶購的系統(tǒng)架構(gòu)
在過去的工作中，我曾經(jīng)面對(duì)過5w每秒的高并發(fā)秒殺功能，在這個(gè)過程中，整個(gè)Web系統(tǒng)遇到了很多的問題和挑戰(zhàn)。
如果Web系統(tǒng)不做針對(duì)性的優(yōu)化，會(huì)輕而易舉地陷入到異常狀態(tài)。我們現(xiàn)在一起來討論下，優(yōu)化的思路和方法哈。
1. 請(qǐng)求接口的合理設(shè)計(jì)
一個(gè)秒殺或者搶購頁面，通常分為2個(gè)部分，一個(gè)是靜態(tài)的HTML等內(nèi)容，另一個(gè)就是參與秒殺的Web后臺(tái)請(qǐng)求接口。
通常靜態(tài)HTML等內(nèi)容，是通過CDN的部署，一般壓力不大，核心瓶頸實(shí)際上在后臺(tái)請(qǐng)求接口上。
這個(gè)后端接口，必須能夠支持高并發(fā)請(qǐng)求，同時(shí)，非常 重要的一點(diǎn)，必須盡可能“快”，在最短的時(shí)間里返回用戶的請(qǐng)求結(jié)果。
為了實(shí)現(xiàn)盡可能快這一點(diǎn)，接口的后端存儲(chǔ)使用內(nèi)存級(jí)別的操作會(huì)更好一點(diǎn)。
仍然直接面向 MySQL之類的存儲(chǔ)是不合適的，如果有這種復(fù)雜業(yè)務(wù)的需求，都建議采用異步寫入。
當(dāng)然，也有一些秒殺和搶購采用“滯后反饋”，就是說秒殺當(dāng)下不知道結(jié)果，一段時(shí)間后才可以從頁面中看到用戶是否秒殺成功。
但是，這種屬于“偷懶”行為，同時(shí)給用戶的體驗(yàn)也不好，容易被用戶認(rèn)為是“暗箱操作”。
2. 高并發(fā)的挑戰(zhàn)：一定要“快”
我們通常衡量一個(gè)Web系統(tǒng)的吞吐率的指標(biāo)是QPS（Query Per Second，每秒處理請(qǐng)求數(shù)），解決每秒數(shù)萬次的高并發(fā)場景，這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵。
舉個(gè)例子，我們假設(shè)處理一個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求平均響應(yīng)時(shí)間為100ms，同時(shí)， 系統(tǒng)內(nèi)有20臺(tái)Apache的Web服務(wù)器，配置MaxClients為500個(gè)（表示Apache的最大連接數(shù)目）。
那么，我們的Web系統(tǒng)的理論峰值QPS為（理想化的計(jì)算方式）：
20*500/0.1 = 100000 （10萬QPS）
咦？我們的系統(tǒng)似乎很強(qiáng)大，1秒鐘可以處理完10萬的請(qǐng)求，5w/s的秒殺似乎是“紙老虎”哈。
實(shí)際情況，當(dāng)然沒有這么理想。在高并發(fā)的實(shí)際場景下，機(jī)器都處于高負(fù)載的狀態(tài)，在這個(gè)時(shí)候平均響應(yīng)時(shí)間會(huì)被大大增加。
就Web服務(wù)器而言，Apache打開了越多的連接進(jìn)程，CPU需要處理的上下文切換也越多，額外增加了CPU的消耗，然后就直接導(dǎo)致平均響應(yīng)時(shí)間 增加。
因此上述的MaxClient數(shù)目，要根據(jù)CPU、內(nèi)存等硬件因素綜合考慮，絕對(duì)不是越多越好。
可以通過Apache自帶的abench來測試一 下，取一個(gè)合適的值。
然后，我們選擇內(nèi)存操作級(jí)別的存儲(chǔ)的Redis，在高并發(fā)的狀態(tài)下，存儲(chǔ)的響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。
網(wǎng)絡(luò)帶寬雖然也是一個(gè)因素，不過，這種 請(qǐng)求數(shù)據(jù)包一般比較小，一般很少成為請(qǐng)求的瓶頸。負(fù)載均衡成為系統(tǒng)瓶頸的情況比較少，在這里不做討論哈。
那么問題來了，假設(shè)我們的系統(tǒng)，在5w/s的高并發(fā)狀態(tài)下，平均響應(yīng)時(shí)間從100ms變?yōu)?50ms（實(shí)際情況，甚至更多）：
20*500/0.25 = 40000 （4萬QPS）
于是，我們的系統(tǒng)剩下了4w的QPS，面對(duì)5w每秒的請(qǐng)求，中間相差了1w。
然后，這才是真正的惡夢開始。
舉個(gè)例子，高速路口，1秒鐘來5部車，每秒通過5部車，高速路口運(yùn)作正常。突然，這個(gè)路口1秒鐘只能通過4部車，車流量仍然依舊，結(jié)果必定出現(xiàn)大塞車。（5條車道忽然變成4條車道的感覺）
同理，某一個(gè)秒內(nèi)，20*500個(gè)可用連接進(jìn)程都在滿負(fù)荷工作中，卻仍然有1萬個(gè)新來請(qǐng)求，沒有連接進(jìn)程可用，系統(tǒng)陷入到異常狀態(tài)也是預(yù)期之內(nèi)。
其實(shí)在正常的非高并發(fā)的業(yè)務(wù)場景中，也有類似的情況出現(xiàn)，某個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求接口出現(xiàn)問題，響應(yīng)時(shí)間極慢，將整個(gè)Web請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間拉得很長，逐漸將Web服務(wù)器的可用連接數(shù)占滿，其他正常的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，無連接進(jìn)程可用。
更可怕的問題是，是用戶的行為特點(diǎn)，系統(tǒng)越是不可用，用戶的點(diǎn)擊越頻繁，惡性循環(huán)最終導(dǎo)致“雪崩”（其中一臺(tái)Web機(jī)器掛了，導(dǎo)致流量分散到其他正常工作的機(jī)器上，再導(dǎo)致正常的機(jī)器也掛，然后惡性循環(huán)），將整個(gè)Web系統(tǒng)拖垮。
3. 重啟與過載保護(hù)
如果系統(tǒng)發(fā)生“雪崩”，貿(mào)然重啟服務(wù)，是無法解決問題的。最常見的現(xiàn)象是，啟動(dòng)起來后，立刻掛掉。這個(gè)時(shí)候，最好在入口層將流量拒絕，然后再將重啟。
如果是redis/memcache這種服務(wù)也掛了，重啟的時(shí)候需要注意“預(yù)熱”，并且很可能需要比較長的時(shí)間。
秒殺和搶購的場景，流量往往是超乎我們系統(tǒng)的準(zhǔn)備和想象的。這個(gè)時(shí)候，過載保護(hù)是必要的。如果檢測到系統(tǒng)滿負(fù)載狀態(tài)，拒絕請(qǐng)求也是一種保護(hù)措施。
在 前端設(shè)置過濾是最簡單的方式，但是，這種做法是被用戶“千夫所指”的行為。更合適一點(diǎn)的是，將過載保護(hù)設(shè)置在CGI入口層，快速將客戶的直接請(qǐng)求返回。
秒殺和搶購收到了“海量”的請(qǐng)求，實(shí)際上里面的水分是很大的。不少用戶，為了“搶“到商品，會(huì)使用“刷票工具”等類型的輔助工具，幫助他們發(fā)送盡可 能多的請(qǐng)求到服務(wù)器。
還有一部分高級(jí)用戶，制作強(qiáng)大的自動(dòng)請(qǐng)求腳本。這種做法的理由也很簡單，就是在參與秒殺和搶購的請(qǐng)求中，自己的請(qǐng)求數(shù)目占比越多，成功的概率越高。
這些都是屬于“作弊的手段”，不過，有“進(jìn)攻”就有“防守”，這是一場沒有硝煙的戰(zhàn)斗哈。
1. 同一個(gè)賬號(hào)，一次性發(fā)出多個(gè)請(qǐng)求
部分用戶通過瀏覽器的插件或者其他工具，在秒殺開始的時(shí)間里，以自己的賬號(hào)，一次發(fā)送上百甚至更多的請(qǐng)求。實(shí)際上，這樣的用戶破壞了秒殺和搶購的公平性。
這種請(qǐng)求在某些沒有做數(shù)據(jù)安全處理的系統(tǒng)里，也可能造成另外一種破壞，導(dǎo)致某些判斷條件被繞過。
例如一個(gè)簡單的領(lǐng)取邏輯，先判斷用戶是否有參與記 錄，如果沒有則領(lǐng)取成功，最后寫入到參與記錄中。這是個(gè)非常簡單的邏輯，但是，在高并發(fā)的場景下，存在深深的漏洞。
多個(gè)并發(fā)請(qǐng)求通過負(fù)載均衡服務(wù)器，分配 到內(nèi)網(wǎng)的多臺(tái)Web服務(wù)器，它們首先向存儲(chǔ)發(fā)送查詢請(qǐng)求，然后，在某個(gè)請(qǐng)求成功寫入?yún)⑴c記錄的時(shí)間差內(nèi)，其他的請(qǐng)求獲查詢到的結(jié)果都是“沒有參與記錄”。
這里，就存在邏輯判斷被繞過的風(fēng)險(xiǎn)。
應(yīng)對(duì)方案：
在程序入口處，一個(gè)賬號(hào)只允許接受1個(gè)請(qǐng)求，其他請(qǐng)求過濾。不僅解決了同一個(gè)賬號(hào)，發(fā)送N個(gè)請(qǐng)求的問題，還保證了后續(xù)的邏輯流程的安全。
實(shí)現(xiàn)方案， 可以通過Redis這種內(nèi)存緩存服務(wù)，寫入一個(gè)標(biāo)志位（只允許1個(gè)請(qǐng)求寫成功，結(jié)合watch的樂觀鎖的特性），成功寫入的則可以繼續(xù)參加。
或者，自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)，將同一個(gè)賬號(hào)的請(qǐng)求放入一個(gè)隊(duì)列中，處理完一個(gè)，再處理下一個(gè)。
2. 多個(gè)賬號(hào)，一次性發(fā)送多個(gè)請(qǐng)求
很多公司的賬號(hào)注冊(cè)功能，在發(fā)展早期幾乎是沒有限制的，很容易就可以注冊(cè)很多個(gè)賬號(hào)。因此，也導(dǎo)致了出現(xiàn)了一些特殊的工作室，通過編寫自動(dòng)注冊(cè)腳本，積累了一大批“僵尸賬號(hào)”，數(shù)量龐大，幾萬甚至幾十萬的賬號(hào)不等，專門做各種刷的行為（這就是微博中的“僵尸粉“的來源）。
舉個(gè)例子，例如微博中有轉(zhuǎn) 發(fā)抽獎(jiǎng)的活動(dòng)，如果我們使用幾萬個(gè)“僵尸號(hào)”去混進(jìn)去轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就可以大大提升我們中獎(jiǎng)的概率。
這種賬號(hào)，使用在秒殺和搶購里，也是同一個(gè)道理。例如，iPhone官網(wǎng)的搶購，火車票黃牛黨。
應(yīng)對(duì)方案：
這種場景，可以通過檢測指定機(jī)器IP請(qǐng)求頻率就可以解決，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)IP請(qǐng)求頻率很高，可以給它彈出一個(gè)驗(yàn)證碼或者直接禁止它的請(qǐng)求：
彈出驗(yàn)證碼，最核心的追求，就是分辨出真實(shí)用戶。因此，大家可能經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)站彈出的驗(yàn)證碼，有些是“鬼神亂舞”的樣子， 有時(shí)讓我們根本無法看清。
他們這樣做的原因，其實(shí)也是為了讓驗(yàn)證碼的圖片不被輕易識(shí)別，因?yàn)閺?qiáng)大的“自動(dòng)腳本”可以通過圖片識(shí)別里面的字符，然后讓腳本自 動(dòng)填寫驗(yàn)證碼。
實(shí)際上，有一些非常創(chuàng)新的驗(yàn)證碼，效果會(huì)比較好，例如給你一個(gè)簡單問題讓你回答，或者讓你完成某些簡單操作（例如百度貼吧的驗(yàn)證碼）。
直接禁止IP，實(shí)際上是有些粗暴的，因?yàn)橛行┱鎸?shí)用戶的網(wǎng)絡(luò)場景恰好是同一出口IP的，可能會(huì)有“誤傷“。但是這一個(gè)做法簡單高效，根據(jù)實(shí)際場景使用可以獲得很好的效果。
3. 多個(gè)賬號(hào)，不同IP發(fā)送不同請(qǐng)求
所謂道高一尺，魔高一丈。有進(jìn)攻，就會(huì)有防守，永不休止。這些“工作室”，發(fā)現(xiàn)你對(duì)單機(jī)IP請(qǐng)求頻率有控制之后，他們也針對(duì)這種場景，想出了他們的“新進(jìn)攻方案”，就是不斷改變IP。
有同學(xué)會(huì)好奇，這些隨機(jī)IP服務(wù)怎么來的。有一些是某些機(jī)構(gòu)自己占據(jù)一批獨(dú)立IP，然后做成一個(gè)隨機(jī)代理IP的服務(wù)，有償提供給這些“工作 室”使用。
還有一些更為黑暗一點(diǎn)的，就是通過木馬黑掉普通用戶的電腦，這個(gè)木馬也不破壞用戶電腦的正常運(yùn)作，只做一件事情，就是轉(zhuǎn)發(fā)IP包，普通用戶的電腦被變成了IP代理出口。
通過這種做法，黑客就拿到了大量的獨(dú)立IP，然后搭建為隨機(jī)IP服務(wù)，就是為了掙錢。
應(yīng)對(duì)方案：
說實(shí)話，這種場景下的請(qǐng)求，和真實(shí)用戶的行為，已經(jīng)基本相同了，想做分辨很困難。再做進(jìn)一步的限制很容易“誤傷“真實(shí)用戶，這個(gè)時(shí)候，通常只能通過設(shè)置業(yè)務(wù)門檻高來限制這種請(qǐng)求了，或者通過賬號(hào)行為的”數(shù)據(jù)挖掘“來提前清理掉它們。
僵尸賬號(hào)也還是有一些共同特征的，例如賬號(hào)很可能屬于同一個(gè)號(hào)碼段甚至是連號(hào)的，活躍度不高，等級(jí)低，資料不全等等。
根據(jù)這些特點(diǎn)，適當(dāng)設(shè)置參與門檻，例如限制參與秒殺的賬號(hào)等級(jí)。通過這些業(yè)務(wù)手段，也是可以過濾掉一些僵尸號(hào)。
4. 火車票的搶購
看到這里，同學(xué)們是否明白你為什么搶不到火車票？如果你只是老老實(shí)實(shí)地去搶票，真的很難。通過多賬號(hào)的方式，火車票的黃牛將很多車票的名額占據(jù)，部分強(qiáng)大的黃牛，在處理驗(yàn)證碼方面，更是“技高一籌“。
高級(jí)的黃牛刷票時(shí)，在識(shí)別驗(yàn)證碼的時(shí)候使用真實(shí)的人，中間搭建一個(gè)展示驗(yàn)證碼圖片的中轉(zhuǎn)軟件服務(wù)，真人瀏覽圖片并填寫下真實(shí)驗(yàn)證碼，返回給中轉(zhuǎn)軟件。對(duì)于這種方式，驗(yàn)證碼的保護(hù)限制作用被廢除了，目前也沒有很好的解決方案。
因?yàn)榛疖嚻笔歉鶕?jù)身份證實(shí)名制的，這里還有一個(gè)火車票的轉(zhuǎn)讓操作方式。大致的操作方式，是先用買家的身份證開啟一個(gè)搶票工具，持續(xù)發(fā)送請(qǐng) 求，黃牛賬號(hào)選擇退票，然后黃牛買家成功通過自己的身份證購票成功。
當(dāng)一列車廂沒有票了的時(shí)候，是沒有很多人盯著看的，況且黃牛們的搶票工具也很強(qiáng)大，即 使讓我們看見有退票，我們也不一定能搶得過他們哈。
最終，黃牛順利將火車票轉(zhuǎn)移到買家的身份證下。
解決方案：
并沒有很好的解決方案，唯一可以動(dòng)心思的也許是對(duì)賬號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行“數(shù)據(jù)挖掘”，這些黃牛賬號(hào)也是有一些共同特征的，例如經(jīng)常搶票和退票，節(jié)假日異常活躍等等。將它們分析出來，再做進(jìn)一步處理和甄別。
我們知道在多線程寫入同一個(gè)文件的時(shí)候，會(huì)存現(xiàn)“線程安全”的問題（多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行同一段代碼，如果每次運(yùn)行結(jié)果和單線程運(yùn)行的結(jié)果是一 樣的，結(jié)果和預(yù)期相同，就是線程安全的）。
如果是MySQL數(shù)據(jù)庫，可以使用它自帶的鎖機(jī)制很好的解決問題，但是，在大規(guī)模并發(fā)的場景中，是不推薦使用 MySQL的。
秒殺和搶購的場景中，還有另外一個(gè)問題，就是“超發(fā)”，如果在這方面控制不慎，會(huì)產(chǎn)生發(fā)送過多的情況。
我們也曾經(jīng)聽說過，某些電商搞搶購活 動(dòng)，買家成功拍下后，商家卻不承認(rèn)訂單有效，拒絕發(fā)貨。這里的問題，也許并不一定是商家奸詐，而是系統(tǒng)技術(shù)層面存在超發(fā)風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的。
1. 超發(fā)的原因
假設(shè)某個(gè)搶購場景中，我們一共只有100個(gè)商品，在最后一刻，我們已經(jīng)消耗了99個(gè)商品，僅剩最后一個(gè)。這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)發(fā)來多個(gè)并發(fā)請(qǐng)求，這批請(qǐng)求讀取到的商品余量都是99個(gè)，然后都通過了這一個(gè)余量判斷，最終導(dǎo)致超發(fā)。（同文章前面說的場景）
在上面的這個(gè)圖中，就導(dǎo)致了并發(fā)用戶B也“搶購成功”，多讓一個(gè)人獲得了商品。這種場景，在高并發(fā)的情況下非常容易出現(xiàn)。
2. 悲觀鎖思路
解決線程安全的思路很多，可以從“悲觀鎖”的方向開始討論。
悲觀鎖，也就是在修改數(shù)據(jù)的時(shí)候，采用鎖定狀態(tài)，排斥外部請(qǐng)求的修改。遇到加鎖的狀態(tài)，就必須等待。
雖然上述的方案的確解決了線程安全的問題，但是，別忘記，我們的場景是“高并發(fā)”。也就是說，會(huì)很多這樣的修改請(qǐng)求，每個(gè)請(qǐng)求都需要等待 “鎖”，某些線程可能永遠(yuǎn)都沒有機(jī)會(huì)搶到這個(gè)“鎖”，這種請(qǐng)求就會(huì)死在那里。
同時(shí)，這種請(qǐng)求會(huì)很多，瞬間增大系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果是可用連接數(shù)被耗盡，系統(tǒng)陷入異常。
3. FIFO隊(duì)列思路
那好，那么我們稍微修改一下上面的場景，我們直接將請(qǐng)求放入隊(duì)列中的，采用FIFO（First Input First Output，先進(jìn)先出），這樣的話，我們就不會(huì)導(dǎo)致某些請(qǐng)求永遠(yuǎn)獲取不到鎖。看到這里，是不是有點(diǎn)強(qiáng)行將多線程變成單線程的感覺哈。
然后，我們現(xiàn)在解決了鎖的問題，全部請(qǐng)求采用“先進(jìn)先出”的隊(duì)列方式來處理。那么新的問題來了，高并發(fā)的場景下，因?yàn)檎?qǐng)求很多，很可能一瞬 間將隊(duì)列內(nèi)存“撐爆”，然后系統(tǒng)又陷入到了異常狀態(tài)。
或者設(shè)計(jì)一個(gè)極大的內(nèi)存隊(duì)列，也是一種方案，但是，系統(tǒng)處理完一個(gè)隊(duì)列內(nèi)請(qǐng)求的速度根本無法和瘋狂涌入隊(duì)列中的數(shù)目相比。
也就是說，隊(duì)列內(nèi)的請(qǐng)求會(huì)越積累越多，最終Web系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)候還是會(huì)大幅下降，系統(tǒng)還是陷入異常。
4. 樂觀鎖思路
這個(gè)時(shí)候，我們就可以討論一下“樂觀鎖”的思路了。樂觀鎖，是相對(duì)于“悲觀鎖”采用更為寬松的加鎖機(jī)制，大都是采用帶版本號(hào) （Version）更新。實(shí)現(xiàn)就是，這個(gè)數(shù)據(jù)所有請(qǐng)求都有資格去修改，但會(huì)獲得一個(gè)該數(shù)據(jù)的版本號(hào)，只有版本號(hào)符合的才能更新成功，其他的返回?fù)屬徥 ?/p>
這樣的話，我們就不需要考慮隊(duì)列的問題，不過，它會(huì)增大CPU的計(jì)算開銷。但是，綜合來說，這是一個(gè)比較好的解決方案。
有很多軟件和服務(wù)都“樂觀鎖”功能的支持，例如Redis中的watch就是其中之一。通過這個(gè)實(shí)現(xiàn)，我們保證了數(shù)據(jù)的安全。
互聯(lián)網(wǎng)正在高速發(fā)展，使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的用戶越多，高并發(fā)的場景也變得越來越多。電商秒殺和搶購，是兩個(gè)比較典型的互聯(lián)網(wǎng)高并發(fā)場景。
雖然我們解決問題的具體技術(shù)方案可能千差萬別，但是遇到的挑戰(zhàn)卻是相似的，因此解決問題的思路也異曲同工。