从限流削峰到性能优化, 谈 1 号店抽奖系统架构实践

1. 前言

抽奖是一个典型的高并发场景应用，平时流量不多，但遇到大促活动，流量就会暴增，今年的周年庆期间的日均 UV 就超过百万。在过去的一年里，负责过这个项目的多次重构工作，期间各种踩坑无数，就以此文当做总结，来聊聊我们是如何架构这个高并发系统吧。

2. 整体设计详解

在我看来，能提高服务器应对并发的能力的方式无非两种：

1. 限流削峰：通过降低实际抵达服务器的并发量，降低服务器处理压力；
2. 性能优化：从前台到硬件，优化系统各方面性能，提高服务器处理能力。

接下来我们围绕这两个方面谈谈在 1 号店抽奖系统中所做的工作和遇到的坑。

整体架构如下图:

2.1 服务器层的限流削峰

我们的负载服务器使用的是 A10，商业的负载均衡硬件，相比 nginx，虽然花不少钱，但在使用配置等方面简单，便于维护，web 服务器自然是 Tomcat。这里我们优化了两件事情。

a). 防 cc

负载均衡作为分布式系统的第一层，本身并没有好说的。唯一值得一提的是针对此类大流量场景，我们特意引入了防 cc 机制，限制用户每分钟的最高访问次数，超出频率的请求直接拒绝，防止用户使用脚本等方式刷请求。这个在我们使用的负载均衡器 A10 上可以自行配置，如果是 nginx 也有限制连接模块可以使用，这也是流量削峰的第一层。

b).Tomcat 并发参数

我们之前线上的 Tomcat 是使用默认的参数 maxThreads=500，在流量没有上来之前没什么感觉，但大流量情景下会抛出不少异常日志。在通过性能压测后发现，在并发请求超出 400+ 后，响应速度明显变慢，后台开始出现数据库，接口等链接超时，因此将 maxThread 改为了 400，限制 tomcat 处理量，进一步削减流量。

2.2 应用层的限流削峰

从这里开始，请求就进入应用代码中了，在这一层，我们可以通过代码来进行流量削峰工作了，主要包括信号量，用户行为识别等方式。

a）. 信号量

前面谈到了通过 Tomcat 并发线程配置来拦截超出的流量，但这里有一个问题是超出的请求要么被阻塞，要么被直接拒绝的，不会给出响应。在客户端看到的是长时间没有响应或者请求失败，然后不断重试，我们更希望在这个时候响应一些信息，比如说直接给出提示没有中奖，通知客户端不再请求，从而提高用户体验。因此在这里我们使用了 java 并发包中的 Semaphore，伪代码如下:

 
semaphore=new Semaphore(350);
{1}
if (!semaphore.tryAcquire()) {
   return "error";
}
try {
   execute();
} finally {
   semaphore.release();
}
{1}

由于通过压测得出的 Tomcat 最大线程数配置为 400，这里的信号量我们设成了 350，剩下 50 个线程用来响应超出的请求。在这种情景下，我们曾用 800 个并发做过测试，由于请求还未抵达复杂的业务逻辑中，客户端可以在 10ms 内收到错误响应，不会感到延迟或请求拒绝的现象。

b). 用户行为识别

Tomcat 及信号量进行的并发控制我称之为硬削峰，并不管用户是谁，超出设置上限直接拒绝。但我们更想做的是将非法的请求拦截掉，比如脚本，黄牛等等，从而保证正常用户的访问，因此，在公司风控等部门同学的协助下，引入一些简单的用户行为识别。

1. 实时人机识别: 在用户请求过程中，正常用户跟机器的请求数据会有差异，如果请求数据跟实际的数据不一致，通过实时的识别，自然就可以将这个请求标识为非法请求，直接拦截。
2. 风控列表：除了实时的人机识别，根据还可以根据一些账号或者 ip 平时的购物等行为进行用户画像识别出其中的黄牛，机器账号等等，维持着一个列表，对于列表中的账号可以按风险等级进行额外的拦截。

下图一个接入用户行为识别前后的一个流量对比图

可以明显的看到，两天的同一时刻，在未接入识别时流量峰值为60w ，接入识别后流量降为30w 。也就意味着有人通过脚本等工具贡献了超过一半的请求量；另一个比对是，在没有接入识别时，我们一个活动数万奖品，在活动开始3 秒钟就已经被抽光，而接入之后，当活动结束时刚好被抽完。所以，如果没有行为识别的拦截，不少正常用户根本抽不到奖品，这点跟春节抢火车票是一样的场景。

c). 其他规则

其他规则包括缓存中的活动限制规则等等，根据一些简单的逻辑，也起到一定作用的流量削峰。

至此，我们所有的流量削峰思路都已经解释完了，接下来是针对性能优化做的一些工作。

2.3 应用层的性能优化

性能优化是一个庞大的话题，从代码逻辑，缓存，到数据库索引，从负载均衡到读写分离，能谈的事情太多了。在我们的这个高并发系统中，性能的瓶颈在于数据库的压力，这里就聊下我们的一些解决思路。

a). 缓存

缓存是降低数据库压力的有效手段，我们使用到的缓存分为两块。

1. 分布式缓存：Ycache 是 1 号店基于 MemCache 二次开发的一个分布式缓存组件，我们将跟用户相关的，数据规模大的数据缓存在 Ycache 中，减少不必要的读写操作。
2. 本地缓存：使用分布式缓存降低数据库压力，但仍然有一定的网络开销，对于数据量小，无需更新的一些热数据，比如活动规则，我们可以直接在 web 服务器本地缓存。代表性的是 EhCache 了，而我们那时比较直接粗暴，直接用 ConcurrentHashMap 造了个轮子，也能起到同样的效果。

b). 无事务

对于并发的分布式系统来说，数据的一致性是一个必须考虑的问题。在我们抽奖系统中，数据更需要保证一致，活动奖品是 1 台 iphone，就绝不能被抽走两台。常见的做法便是通过事务来控制，但考虑到我们业务逻辑中的如下场景。

在 JDBC 的事务中，事务管理器在事务周期内会独占一个 connection，直到事务结束。

假设我们的一个方法执行 100ms，前后各有 25ms 读写操作，中间向其他 SOA 服务器做了一次 RPC，耗时 50ms，这就意味着中间 50ms 时 connection 将处于挂起状态。

前面已经谈到了当前性能的瓶颈在于数据库，因此这种大事务等于将数据库链接浪费一半，所以我们没有使用事务，而是通过以下两种方式保证数据的一致性。

1. 乐观锁：在 update 时使用版本号的方式保证数据唯一性，比如在用户中奖后减少已有奖品数量,

 
 update award set award_num=award_num-1，version=version+1 where id=#{id} and version=#{version} and award_num>0

2. 唯一索引：在 insert 时通过唯一索引保证只插入一条数据，比如建立奖品 id 和用户 id 的唯一索引，防止 insert 时插入多条中奖记录。

2.4 数据库及硬件

再往下就是基础层了，包括我们的数据库和更底层的硬件，之所以单独列一节，是为了聊聊我们踩的一个坑。

当时为了应对高并发的场景，我们花了数周重构，从前台服务器到后台业务逻辑用上了各种优化手段，自认为扛住每分钟几十万流量不成问题，但这都是纸上谈兵，我们需要拿数据证明，因此用 JMeter 做了压测。

首先是流量预估，我们统计了过往的数据，预估的流量是 15w/ 分钟，单次请求性能指标是 100ms 左右，因此吞吐量为 150000/60~2500tps，每次请求 100ms，即并发数为 250，这只是平均的，考虑活动往往最开始几秒并发量最大，所以峰值并发估计为平均值的 3-5 倍。

第一次我们用 50 个并发做压测:

压测结果简直难以置信，平均耗时超 600ms，峰值轻松破 1000ms，这连生产上日常流量都扛不住，我们做了这么多手段，不应该性能反而降低了，当时都有点怀疑人生了，所以我们着手开始排查原因。

首先查看日志发现数据库链接存在超时

排查发现配置的数据库链接数为 30,50 个线程并发情景下会不够，将最大链接数设为 100. 数据库链接超时问题没有了，但问题没这么简单，测试下来还是一样的结果。

然后通过 VisualVM 连上压测的 JVM，我们查看了线程的快照。

(点击放大图像)

如图，发现在几个数据库写方法以及一个 RPC 接口上的耗时占比最大。

所以一方面我们自己着手查原因，另一方面也推动接口提供方减少耗时。

首先是一些常规的排查手段

1. 走读对应部分代码，排查是否有锁，或者严重的逻辑错误如死循环等。
2. dump 虚拟机内存快照，排查是否存在死锁。
3. 查看 sql 语句及其执行计划，确保业务逻辑合理，并走到索引。
4. …

当时花了两天时间毫无进展，代码上没发现任何问题，也请教了很多同事，感觉已经陷入了思维误区，然后有位同事说这不是我们程序的问题，会不会是数据库本身或者硬件问题。我们马上找了 DBA 的同事，查看测试数据库的执行情况，如图：

log file sync 的 Avg wait 超过了 60ms，查阅资料后了解到这种情况的原因可能有:

1. 连接阻塞；
2. 磁盘 io 瓶颈；

然后我们一看，压测环境的服务器的硬盘是一块老的机械硬盘，而其他环境早已 SSD 遍地了。我们连夜把压测环境切换到了 SSD，问题解决了，最后压测结果：单机 441 个并发, 平均响应时间 136ms，理论上能扛住 19w/ 分钟的流量，比起第一次压测有了数十倍的提升，单机即可扛住预估流量的压力，生产上更不成问题了，可以上线了。

至此，整个抽奖系统的架构，以及我们限流削峰和调优的所有手段已经介绍完了，接下来展开下其他的优化想法和感悟吧。

3. 其他优化想法

这里还有一些曾经考虑过的想法供参考，可能由于时间，不适用等原因没有做，但也是应对高并发场景的思路。

1. 消息队列：由于抽奖一般会有个转盘效果，意味着我们不需要马上给出结果，如果引入消息队列，无疑可以有效削峰，降低服务器压力。如果说 Tomcat 的并发配置和信号量的硬削峰是把 1000 并发直接拒掉 500 来做到，而这种是把 1000 并发排队每次处理 500 来实现，也就是说结果上是会处理掉所有请求，相对来说更合理。1 号店的秒杀系统便接入了这个功能，但由于当时重构时间只有两周，评估下来时间上来不及做，因此搁置了。
2. 异步：前面谈到了一个 RPC 接口占用了近 50% 的耗时，经过业务逻辑上的评估这个接口是可以异步的，所以如果有必要的时候这是一个可行的方案。
3. 读写分离：主备库的同步还是有延迟的，基于一致性考虑，读写分离的方案被我们抛弃了，但在其他高并发场景，读写分离是一个比较常见的优化方案。
4. 活动拆库：性能的瓶颈还是在数据库，如果多个活动并行，并且互不相干，我们完全可以按活动拆库，分担数据库压力，不过这次的压力还没有达到这个量。
5. 内存数据库：数据库的 IO 效率影响很大，把数据库所在的机械硬盘换成 SSD 后有数倍性能的提升，但内存的速度更快，相关文章已经介绍到 12306 已经全面应用了。
6. 升级硬件：换了 SSD 后性能就上来了，在未来如果有了瓶颈, 可以预见的是如果硬件的有了新的发展，通过升级硬件是比较省力的方式。

4. 几点思考

1. 警惕流量，用户量的增长：在没有引入行为识别前，看着监控里流量十万十万的上涨无疑是很高兴的，但引入用户行为识别后，我们发现一大半的流量可能来自于脚本。假设我们没有做行为识别，一个普通用户，稍微慢几秒就得不到奖品，来这么两三次，估计就不会来参加你的活动了，正常用户就这么一个个流失了，这种负面影响想想就让人背后发凉。所以当看到用户量快速增长，在高兴的同时，一定要意识到其中可能的风险，引入必要风控手段，保证真正的用户的用户体验。
2. 性能优化是系统性的问题：从前台到后台我们考虑了很多优化方式，但最后压测不通过，一头栽在了老化的硬盘上，真是一个活生生的短板理论例子，所以优化不能单单局限代码，JVM 的层次，从页面到硬盘，一定要通盘考虑。在遇到性能瓶颈时，不要只从表面的代码排查问题，要深入，网络，硬件都有可能瓶颈。

关于作者

文初开，开发工程师，15 年加入 1 号店，现负责 1 号店购物流程的开发工作，曾负责 1 号店会员、抽奖系统的开发工作，博客: https://chulung.com