劉磊

（廣東開放大學，廣州 510000）

1 秒殺業(yè)務分析

作為現(xiàn)代電商的重要促銷手段，商品秒殺、搶紅包這類“短時間、高并發(fā)”的需求越來越多。一個典型的電商秒殺系統(tǒng)圍繞著商家、庫存、用戶、訂單四者展開[1]。首先，商家會添加、調(diào)整商品庫存，庫存則會反映商家的發(fā)貨、核帳信息；用戶成功秒殺商品，庫存進行減法操作，同時用戶訂單進行加法操作，插入一條秒殺記錄明細；用戶的付款、退貨行為，也會反映在庫存和訂單。秒殺系統(tǒng)處理的是大量用戶瞬時對有限商品的激烈競爭，它的高并發(fā)點出在前端用戶秒殺商品環(huán)節(jié)，其核心是庫存的高效處理。

用戶每個成功的秒殺行為都包括兩個動作：減去商品庫存和記錄購買明細，業(yè)務要求這兩個動作必須同時成功，若減庫存而沒有記錄購買明細就會出現(xiàn)超賣，記錄了明細卻沒有減庫存就出現(xiàn)了少賣，這兩種現(xiàn)象都是不正常的。因此，減庫存與記明細這兩個原子操作要么都成功，要么都不成功，它們組成了一個完整的事務，秒殺業(yè)務場景具有典型的“事務”特性，如圖1所示。要保證以上操作數(shù)據(jù)順利存儲，有兩種方案：使用RDBMS（關系型數(shù)據(jù)庫）或使用NoSQL（非關系型數(shù)據(jù)庫），NoSQL的重要場景在緩存，對事務支持較差；RDBMS支持魯棒性事務，業(yè)界研究表明，事務機制依然是目前最可靠的數(shù)據(jù)落地方案[2-3]。

圖1 秒殺的事務特性

2 系統(tǒng)設計

2.1 功能設計

為著重驗證秒殺功能，筆者設計了一個業(yè)務具有典型性的秒殺系統(tǒng)[4]，功能設計如下：

（1）用戶注冊登錄：用戶注冊賬號，使用賬號登錄系統(tǒng)。

（2）秒殺列表查詢：以列表形式展示秒殺商品。

（3）秒殺詳情查詢：以單頁面展示秒殺商品詳細信息，包括秒殺倒計時、秒殺按鈕。

（4）生成秒殺地址：為了避免用戶作弊，即秒殺開啟前提前在瀏覽器輸入秒殺地址進入秒殺，設計只有在秒殺開始時才能暴露秒殺地址，使用MD5加鹽加密生成地址，防止用戶撞庫破解。

（5）執(zhí)行秒殺：系統(tǒng)最核心功能，用戶執(zhí)行秒殺，成功則依次進行減庫存和記錄購買明細兩個動作，同時返回秒殺成功響應給前端用戶，秒殺失敗也返回相應失敗信息。

（6）用戶中心：以列表形式展示用戶成功秒殺的商品，對接付款模塊，顯示訂單狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

圍繞秒殺業(yè)務和功能分析，本方案數(shù)據(jù)庫設計三個核心實體對象：用戶、商品和訂單。用戶實體記錄注冊登錄信息，用戶ID設置為主鍵；商品實體記錄一件商品的名稱、庫存量、秒殺開始時間和結束時間等庫存詳情，商品ID設置為主鍵；訂單記錄秒殺成功后的明細，即哪個用戶秒殺了哪件商品，當前狀態(tài)是未付款還是已付款。根據(jù)業(yè)務分析，一個用戶可以秒殺多個商品，一個商品也可以被多個用戶秒殺，用戶與商品是多對多的關系，同時秒殺業(yè)務要求同一用戶對同一商品不能重復秒殺，也就是訂單表不能插入用戶ID和商品ID兩者都相同的記錄，解決策略是只需要將商品ID與用戶ID組成訂單表的聯(lián)合主鍵即可。本秒殺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型設計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫模型圖

2.3 流程設計

用戶秒殺商品的典型流程是：①首先，用戶查看所有的秒殺商品列表，點擊選中的秒殺進入商品詳情頁；②詳情頁除了顯示商品名稱、詳情、開始時間、結束時間等“靜態(tài)信息”外，每次加載詳情頁，都要動態(tài)請求服務器標準系統(tǒng)時間，若系統(tǒng)時間小于開始時間，則返回前端提示，頁面使用特效展示秒殺倒計時；③若系統(tǒng)時間大于開始時間并且小于結束時間，則意味著秒殺進行中，系統(tǒng)生成秒殺地址并返回前端顯示秒殺按鈕，用戶需要登錄或提前登錄執(zhí)行秒殺，成功秒殺則后端數(shù)據(jù)庫執(zhí)行減庫存和記明細兩個事務操作，返回前端秒殺結果；④若系統(tǒng)時間大于結束時間，則意味著秒殺結束，返回前端結束信息。用戶在商品詳情頁的交互流程如圖3所示。

圖3 用戶秒殺流程圖

3 技術實現(xiàn)

本系統(tǒng)實現(xiàn)方案采用業(yè)界流行的技術組合：Linux+Tomcat/Nginx+SSM+Bootstrap+MySQL+Redis+Maven，這套組合被阿里、京東等互聯(lián)網(wǎng)公司廣泛應用于大中型Web應用，非常適于開發(fā)高并發(fā)、高性能、高擴展的Web系統(tǒng)。

（1）SSM：SpringMVC、Spring、MyBatis三大框架的完美組合，主流的J2EE企業(yè)級開發(fā)框架，具有輕量級、代碼侵入性低、技術成熟的特點，支持典型的三層架構：DAO（數(shù)據(jù)層）、Service（業(yè)務層）、Web（表示層）[5]。MyBatis是數(shù)據(jù)層框架，支持定制SQL語句，傳參自由、靈活，結果集自動賦值，接口設計和SQL語句的分離，方便代碼Review。Spring提供了一個統(tǒng)一托管對象的容器工廠，允許通過一致的訪問接口，訪問工廠里的任意實例，也就是對象控制反轉（IoC）；Spring還支持聲明式事務，對于高并發(fā)應用，帶事務的方法往往是瓶頸所在，一不小心就可能導致數(shù)據(jù)庫訪問延遲，使用聲明式事務可以方便地開發(fā)單一、純凈的事務方法。SpringMVC是Web層框架，支持RESTful風格的URL和MVC開發(fā)模式。

（2）Bootstrap：簡潔、直觀、強悍的前端開發(fā)框架，基于 HTML5、CSS3、jQuery技術構建，提供了導航、分頁、面板等可復用的靜態(tài)組件，下拉菜單、標簽頁、彈出框等動態(tài)插件，強大靈活的柵格布局系統(tǒng)，使用Bootstrap可以快速、高效地開發(fā)健壯和優(yōu)雅的響應式靜態(tài)頁面[6]。

（3）MySQL：最流行的用于Web開發(fā)的關系型數(shù)據(jù)庫，支持事務和鎖機制，可以單點、主從復制、集群多種規(guī)模運行，經(jīng)測試，MySQL執(zhí)行同一條update壓力測試約為4萬QPS，即一秒可以賣4萬個商品，能夠頂住大部分秒殺壓力，本方案使用MySQL持久化數(shù)據(jù)[7-8]。

（4）Redis：基于內(nèi)存的NoSQL型數(shù)據(jù)庫，經(jīng)測試Redis性能非常高，每秒鐘SET操作可執(zhí)行110000次、GET操作可執(zhí)行81000次，本方案使用Redis緩存熱點數(shù)據(jù)[9-11]。

（5）Maven：強大的項目構建工具，以標準化的方式管理編譯、生成、發(fā)布、文檔等整個項目建設生命周期，提供更佳的項目依賴和持續(xù)集成管理。

（6）Tomcat/Nginx：Tomcat輕量、穩(wěn)定，用作應用服務器，Nginx具備強大的并發(fā)處理、靈活的反向代理能力，用作負載均衡服務器。

使用以上技術組合，編碼分為SQL編碼、DAO層編碼、Service層編碼、Web層編碼，系統(tǒng)各層關鍵接口對接情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)關鍵接口對接表

4 高并發(fā)瓶頸分析及優(yōu)化

秒殺的本質(zhì)是大量用戶瞬時集中競爭有限的商品，秒殺系統(tǒng)最大的瓶頸點在商品秒殺環(huán)節(jié)。當秒殺開啟時，大量用戶涌入查詢商品詳情頁、同時點擊秒殺按鈕，請求流量瞬間達到高峰，若將所有請求都直接發(fā)送到服務器，將耗損服務器大量響應資源，單臺服務器并發(fā)處理能力有限，嚴重時可能導致服務器宕機，為了保證大量請求的及時處理，使用其他服務器分流依然是最有效的應對策略。

一個成功的秒殺行為在服務器要執(zhí)行兩個業(yè)務邏輯：減庫存、記明細，反映在數(shù)據(jù)庫層面，這兩個原子操作組成一個事務，要么都提交，要么都不提交，示意代碼如下：

Start Transaction

Update減庫存

Insert記明細

Commit/Rollback

大量用戶在有限的時間內(nèi)競爭有限商品，意味著很多用戶同時去執(zhí)行同一個商品ID的減庫存操作（如：update table set num=num-1 where id=1001），但是數(shù)據(jù)庫對同一行數(shù)據(jù)修改是有行級鎖機制的，即一次運行完提交后，下一個才能運行，這就讓很多用戶“堵塞”在update操作，并發(fā)量大時系統(tǒng)響應性能呈指數(shù)級下降，這也是秒殺業(yè)務邏輯的并發(fā)瓶頸所在。對于秒殺系統(tǒng)來說，高并發(fā)優(yōu)化就是疏通“堵塞”、引導“分流”，讓更多人更快通過“瓶頸”參與“競爭”[5-6]。

針對以上分析提出以下具體優(yōu)化措施[12-13]。

4.1 使用C C D D N N緩存靜態(tài)化資源

CDN即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡，通過在網(wǎng)絡各處放置節(jié)點服務器構成智能虛擬網(wǎng)絡，能夠實時將用戶請求重定向到響應最快的服務節(jié)點，使用戶就近取得所需內(nèi)容，開發(fā)人員可以自己搭建或租用云CDN服務。商品秒殺詳情頁是并發(fā)請求量最集中的頁面，為減少服務器請求，可將詳情頁里靜態(tài)化的資源剝離出來推送到CDN節(jié)點，例如JavaScript腳本、CSS、圖片等不常變化的資源，也就是在前端緩存靜態(tài)內(nèi)容，這樣一部分請求就被重定向到CDN節(jié)點，如果命中資源就不需訪問后端服務器，減輕了服務器壓力，也提高了響應速度。

4.2 使用Redis優(yōu)化生成秒殺地址

詳情頁里有部分資源是不能緩存到CDN節(jié)點的，例如請求服務器標準時間，Java執(zhí)行一次new Date()約只需10ns，因此不會成為瓶頸。請求秒殺地址也不能緩存到CDN，秒殺地址為防止被猜到，是由服務端在秒殺期間動態(tài)生成的，每次查詢詳情頁都要請求一次秒殺地址是否開啟，如果開啟則通過MD5加鹽后再加密生成不可逆的地址字符串發(fā)送到前端，判斷是否開啟需要查詢秒殺商品的開始時間和結束時間，為提高響應速度，可將秒殺商品查詢結果緩存在服務端。本方案選用高性能的Redis用作服務端緩存，方法是首先在Redis查找商品，若找到則直接返回；找不到則查詢數(shù)據(jù)庫，同時緩存一份在Redis。為避免單機故障，也可以做成Redis集群使用。

4.3 使用存儲過程優(yōu)化行級鎖持有時間

上面分析出秒殺環(huán)節(jié)的瓶頸點在對同一商品“競爭”執(zhí)行update操作，數(shù)據(jù)庫對一行數(shù)據(jù)執(zhí)行update操作時，會加上行級鎖，此時其他update操作處于等待，等事務提交或回滾后釋放行級鎖，其他update操作才能依次執(zhí)行，而insert操作是可以并發(fā)運行的，也就是行級鎖持有時間阻塞了秒殺進程；Java與MySQL交互，使用Java執(zhí)行SQL語句的耗時，包括SQL語句執(zhí)行耗時、發(fā)送語句到MySQL和返回結果的網(wǎng)絡延遲、GC操作耗時，一次秒殺行為的耗時計算公式為：一次秒殺耗時=update耗時+insert耗時+網(wǎng)絡延遲+GC耗時+其他耗時。所有耗時加起來，秒殺行為的總耗時就變長了，其實Java不慢，MySQL也不慢，但是使用Java操作MySQL，中間耗時浪費，響應就慢了[14-16]。

因此減少行級鎖的持有時間和降低網(wǎng)絡延遲即可大幅降低一次秒殺耗時，方法是：①將insert調(diào)到update之前運行，insert可以并發(fā)執(zhí)行，若update成功，則可以同時提交，否則，則同時回滾，只有update需要鎖住，性能提升一倍；②將業(yè)務邏輯封裝成存儲過程放在MySQL服務端運行，Java客戶端只需要拿到執(zhí)行結果即可，MySQL本地執(zhí)行存儲過程是很快的，這樣大部分網(wǎng)絡延遲和GC耗時會被消滅掉。行級鎖持有時間優(yōu)化前后對例如圖4所示。

經(jīng)過多組測試，對同一行數(shù)據(jù)執(zhí)行一次update操作，使用存儲過程事務的行級鎖持有時間大約為6ms，使用Java客戶端托管的事務行級鎖持有時間大約為40ms，相差34ms，這意味者如果有500人同時競爭同一個熱點商品，優(yōu)化后的事務排隊時間可以減少17s（34ms×500）。

圖4 行級鎖持有時間優(yōu)化

4.4 使用集群化部署提高系統(tǒng)抗壓能力

理論上，一臺服務器若能頂住1000的并發(fā)量，兩臺服務器就能頂住2000的并發(fā)量，一般來說，當上線的Web系統(tǒng)并發(fā)量達到一定數(shù)量級時，都可以通過大規(guī)模服務器集群化部署提高系統(tǒng)的抗壓能力，也就是常說的“當一頭牛拉不動時，那就用三頭?！?。本方案設計的系統(tǒng)架構、選用的開發(fā)框架都非常適于以集群的方式運行，對于實際線上的電商秒殺系統(tǒng)，通過不斷增加服務器可以快速提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力[17-18]。本系統(tǒng)線上集群化部署可以分為五層：①CDN緩存層：緩存靜態(tài)化資源；②負載均衡層：根據(jù)訪問量，負責將請求智能轉發(fā)到不同服務器；③Web應用層：在Tomcat集群上部署相同的Web應用；④Redis緩存層：緩存數(shù)據(jù)庫查詢結果；⑤數(shù)據(jù)庫存儲層：數(shù)據(jù)落地，使用主從庫同步、讀寫庫分離、分庫分表等技術增強抗壓能力。線上秒殺系統(tǒng)集群化部署方案參考圖5所示。

圖5 秒殺系統(tǒng)集群化部署方案

5 測試與應用

為了測試本文設計的秒殺系統(tǒng)的性能、可用性和并發(fā)處理能力，筆者使用Apache JMeter進行了三組壓力測試，為避免硬件帶來的誤差，三組測試環(huán)境使用了相同的機器配置，統(tǒng)一CPU為Intel Core i5 3.3GHz、內(nèi)存為8GB，網(wǎng)絡環(huán)境為實驗室局域網(wǎng)。三組測試分別為：①測試一使用1臺服務器，MySQL與Tomcat安裝在一起；②測試二使用2臺服務器，1臺安裝Tomcat，1臺安裝MySQL，Web服務器與數(shù)據(jù)庫分開部署；③測試三使用10臺服務器模擬小型集群環(huán)境，2臺安裝Nginx作負載均衡服務器，1臺安裝Nginx作靜態(tài)資源服務器，3臺安裝Tomcat作應用服務器，1臺安裝Redis作緩存服務器，3臺安裝MySQL作數(shù)據(jù)庫服務器。從測試一到測試二再到測試三，不斷增加服務器數(shù)量和并發(fā)數(shù)，以驗證系統(tǒng)并發(fā)承載能力，三組測試得到的并發(fā)數(shù)、服務器CPU利用率、平均響應時間如表2-4所示。

表2 測試一

表3 測試二

表4 測試三

由此可見，通過不斷增加服務器，分層部署系統(tǒng)，將請求流量分發(fā)到不同節(jié)點；采取一定的優(yōu)化策略，將靜態(tài)化資源分流，將部分查詢結果緩存，將網(wǎng)絡延遲降至最低。這些措施可有效提高秒殺系統(tǒng)的性能、可用性和并發(fā)處理能力。本方案實現(xiàn)的秒殺系統(tǒng)作為筆者參與的電商平臺核心模塊已經(jīng)上線運行，通過生產(chǎn)環(huán)境中的并發(fā)優(yōu)化和集群化部署，在多次的促銷活動中，頂住了上萬的并發(fā)壓力，表現(xiàn)穩(wěn)定。

6 結語

本文設計和實現(xiàn)的電商秒殺系統(tǒng)解決方案，使用SSM框架實現(xiàn)高擴展性，使用MySQL事務機制保證秒殺數(shù)據(jù)完整性，使用Redis緩存提高系統(tǒng)訪問性能，使用集群化部署增強系統(tǒng)并發(fā)處理能力，本方案具有典型性，對于解決秒殺、搶紅包這類“瞬時高并發(fā)搶資源”的需求有較普遍的參考價值，本文沒有更多討論秒殺系統(tǒng)的安全性，有待進一步研究。當然秒殺作為各大電商的促銷手段，其線上實現(xiàn)方案不止一種，也有利用分布式MQ記錄行為消息、再異步數(shù)據(jù)落地或者利用隊列在內(nèi)存中操作的方案，沒有最佳和一勞永逸的方案，只有最適應業(yè)務需求的方案，讀者可以根據(jù)場景靈活選用。