系統實現方案設計

　　設計要確定設計方案，首先要清楚設計的目的和所要達到的效果。下面小編給大家帶來系統實現方案設計，歡迎大家閱讀。

　　背景介紹

　　2017年1月28日，正月初一，微信公布了用戶在除夕當天收發微信紅包的數量——142億個，而其收發峰值也已達到76萬每秒。百億級別的紅包，如何保障并發性能與資金安全？這給微信帶來了超級挑戰。面對挑戰，微信紅包在分析了業界“秒殺”系統解決方案的基礎上，采用了SET化、請求排隊串行化、雙維度分庫表等設計，形成了獨特的高并發、資金安全系統解決方案。實踐證明，該方案表現穩定，且實現了除夕夜系統零故障運行。

　　本文將為讀者介紹百億級別紅包背后的系統高并發設計方案，包括微信紅包的兩大業務特點、微信紅包系統的技術難點、解決高并發問題通常使用的方案，以及微信紅包系統的高并發解決方案。

　　微信紅包的兩大業務特點

　　微信紅包（尤其是發在微信群里的紅包，即群紅包）業務形態上很類似網上的普通商品“秒殺”活動。

　　用戶在微信群里發一個紅包，等同于是普通商品“秒殺”活動的商品上架；微信群里的所有用戶搶紅包的動作，等同于“秒殺”活動中的查詢庫存；用戶搶到紅包后拆紅包的動作，則對應“秒殺”活動中用戶的“秒殺”動作。

　　不過除了上面的相同點之外，微信紅包在業務形態上與普通商品“秒殺”活動相比，還具備自身的特點：

　　首先，微信紅包業務比普通商品“秒殺”有更海量的并發要求。

　　微信紅包用戶在微信群里發一個紅包，等同于在網上發布一次商品“秒殺”活動。假設同一時間有10萬個群里的用戶同時在發紅包，那就相當于同一時間有10萬個“秒殺”活動發布出去。10萬個微信群里的用戶同時搶紅包，將產生海量的并發請求。

　　其次，微信紅包業務要求更嚴格的安全級別。

　　微信紅包業務本質上是資金交易。微信紅包是微信支付的一個商戶，提供資金流轉服務。

　　用戶發紅包時，相當于在微信紅包這個商戶上使用微信支付購買一筆“錢”，并且收貨地址是微信群。當用戶支付成功后，紅包“發貨”到微信群里，群里的用戶拆開紅包后，微信紅包提供了將“錢”轉入折紅包用戶微信零錢的服務。

　　資金交易業務比普通商品“秒殺”活動有更高的安全級別要求。普通的商品“秒殺”商品由商戶提供，庫存是商戶預設的，“秒殺”時可以允許存在“超賣”（即實際被搶的商品數量比計劃的庫存多）、“少賣”（即實際被搶的商戶數量比計劃的庫存少）的情況。但是對于微信紅包，用戶發100元的紅包絕對不可以被拆出101元；用戶發100元只被領取99元時，剩下的1元在24小時過期后要精確地退還給發紅包用戶，不能多也不能少。

　　以上是微信紅包業務模型上的兩大特點。

　　微信紅包系統的技術難點

　　在介紹微信紅包系統的技術難點之前，先介紹下簡單的、典型的商品“秒殺”系統的架構設計，如下圖所示。

　　該系統由接入層、邏輯服務層、存儲層與緩存構成。Proxy處理請求接入，Server承載主要的業務邏輯，Cache用于緩存庫存數量、DB則用于數據持久化。

　　一個“秒殺”活動，對應DB中的一條庫存記錄。當用戶進行商品“秒殺”時，系統的主要邏輯在于DB中庫存的操作上。一般來說，對DB的操作流程有以下三步：

　　鎖庫存

　　插入“秒殺”記錄

　　更新庫存

　　其中，鎖庫存是為了避免并發請求時出現“超賣”情況。同時要求這三步操作需要在一個事務中完成（所謂的事務，是指作為單個邏輯工作單元執行的一系列操作，要么完全地執行，要么完全地不執行）。

　　“秒殺”系統的設計難點就在這個事務操作上。商品庫存在DB中記為一行，大量用戶同時“秒殺”同一商品時，第一個到達DB的請求鎖住了這行庫存記錄。在第一個事務完成提交之前這個鎖一直被第一個請求占用，后面的所有請求需要排隊等待。同時參與“秒殺”的用戶越多，并發進DB的請求越多，請求排隊越嚴重。因此，并發請求搶鎖，是典型的商品“秒殺”系統的設計難點。

　　微信紅包業務相比普通商品“秒殺”活動，具有海量并發、高安全級別要求的特點。在微信紅包系統的設計上，除了并發請求搶鎖之外，還有以下兩個突出難點：

　　首先，事務級操作量級大。上文介紹微信紅包業務特點時提到，普遍情況下同時會有數以萬計的微信群在發紅包。這個業務特點映射到微信紅包系統設計上，就是有數以萬計的“并發請求搶鎖”同時在進行。這使得DB的壓力比普通單個商品“庫存”被鎖要大很多倍。

　　其次，事務性要求嚴格。微信紅包系統本質上是一個資金交易系統，相比普通商品“秒殺”系統有更高的事務級別要求。

　　解決高并發問題常用方案

　　普通商品“秒殺”活動系統，解決高并發問題的方案，大體有以下幾種：

　　方案一，使用內存操作替代實時的DB事務操作。

　　如圖2所示，將“實時扣庫存”的行為上移到內存Cache中操作，內存Cache操作成功直接給Server返回成功，然后異步落DB持久化。

　　這個方案的優點是用內存操作替代磁盤操作，提高了并發性能。

　　但是缺點也很明顯，在內存操作成功但DB持久化失敗，或者內存Cache故障的情況下，DB持久化會丟數據，不適合微信紅包這種資金交易系統。

　　方案二，使用樂觀鎖替代悲觀鎖。

　　所謂悲觀鎖，是關系數據庫管理系統里的一種并發控制的方法。它可以阻止一個事務以影響其他用戶的方式來修改數據。如果一個事務執行的操作對某行數據應用了鎖，那只有當這個事務把鎖釋放，其他事務才能夠執行與該鎖沖突的操作。對應于上文分析中的“并發請求搶鎖”行為。

　　所謂樂觀鎖，它假設多用戶并發的事務在處理時不會彼此互相影響，各事務能夠在不產生鎖的情況下處理各自影響的那部分數據。在提交數據更新之前，每個事務會先檢查在該事務讀取數據后，有沒有其他事務又修改了該數據。如果其他事務有更新的話，正在提交的事務會進行回滾。

　　商品“秒殺”系統中，樂觀鎖的具體應用方法，是在DB的“庫存”記錄中維護一個版本號。在更新“庫存”的操作進行前，先去DB獲取當前版本號。在更新庫存的事務提交時，檢查該版本號是否已被其他事務修改。如果版本沒被修改，則提交事務，且版本號加1；如果版本號已經被其他事務修改，則回滾事務，并給上層報錯。

　　這個方案解決了“并發請求搶鎖”的問題，可以提高DB的并發處理能力。

　　但是如果應用于微信紅包系統，則會存在下面三個問題：

　　如果拆紅包采用樂觀鎖，那么在并發搶到相同版本號的拆紅包請求中，只有一個能拆紅包成功，其他的請求將事務回滾并返回失敗，給用戶報錯，用戶體驗完全不可接受。

　　如果采用樂觀鎖，將會導致第一時間同時拆紅包的用戶有一部分直接返回失敗，反而那些“手慢”的用戶，有可能因為并發減小后拆紅包成功，這會帶來用戶體驗上的負面影響。

　　如果采用樂觀鎖的方式，會帶來大數量的無效更新請求、事務回滾，給DB造成不必要的額外壓力。

　　基于以上原因，微信紅包系統不能采用樂觀鎖的方式解決并發搶鎖問題。

　　微信紅包系統的高并發解決方案

　　綜合上面的分析，微信紅包系統針對相應的技術難點，采用了下面幾個方案，解決高并發問題。

　　1.系統垂直SET化，分而治之。

　　微信紅包用戶發一個紅包時，微信紅包系統生成一個ID作為這個紅包的唯一標識。接下來這個紅包的所有發紅包、搶紅包、拆紅包、查詢紅包詳情等操作，都根據這個ID關聯。

　　紅包系統根據這個紅包ID，按一定的規則（如按ID尾號取模等），垂直上下切分。切分后，一個垂直鏈條上的邏輯Server服務器、DB統稱為一個SET。

　　各個SET之間相互獨立，互相解耦。并且同一個紅包ID的所有請求，包括發紅包、搶紅包、拆紅包、查詳情詳情等，垂直stick到同一個SET內處理，高度內聚。通過這樣的方式，系統將所有紅包請求這個巨大的洪流分散為多股小流，互不影響，分而治之，如下圖所示。

　　這個方案解決了同時存在海量事務級操作的問題，將海量化為小量。

　　2.邏輯Server層將請求排隊，解決DB并發問題。

　　紅包系統是資金交易系統，DB操作的事務性無法避免，所以會存在“并發搶鎖”問題。但是如果到達DB的事務操作（也即拆紅包行為）不是并發的，而是串行的，就不會存在“并發搶鎖”的問題了。

　　按這個思路，為了使拆紅包的事務操作串行地進入DB，只需要將請求在Server層以FIFO（先進先出）的方式排隊，就可以達到這個效果。從而問題就集中到Server的FIFO隊列設計上。

　　微信紅包系統設計了分布式的、輕巧的、靈活的FIFO隊列方案。其具體實現如下：

　　首先，將同一個紅包ID的所有請求stick到同一臺Server。

　　上面SET化方案已經介紹，同個紅包ID的所有請求，按紅包ID stick到同個SET中。不過在同個SET中，會存在多臺Server服務器同時連接同一臺DB（基于容災、性能考慮，需要多臺Server互備、均衡壓力）。

　　為了使同一個紅包ID的所有請求，stick到同一臺Server服務器上，在SET化的設計之外，微信紅包系統添加了一層基于紅包ID hash值的分流，如下圖所示。

　　其次，設計單機請求排隊方案。

　　將stick到同一臺Server上的所有請求在被接收進程接收后，按紅包ID進行排隊。然后串行地進入worker進程（執行業務邏輯）進行處理，從而達到排隊的效果，如下圖所示。

　　最后，增加memcached控制并發。

　　為了防止Server中的請求隊列過載導致隊列被降級，從而所有請求擁進DB，系統增加了與Server服務器同機部署的memcached，用于控制拆同一個紅包的請求并發數。

　　具體來說，利用memcached的CAS原子累增操作，控制同時進入DB執行拆紅包事務的請求數，超過預先設定數值則直接拒絕服務。用于DB負載升高時的降級體驗。

　　通過以上三個措施，系統有效地控制了DB的“并發搶鎖”情況。

　　3.雙維度庫表設計，保障系統性能穩定

　　紅包系統的分庫表規則，初期是根據紅包ID的hash值分為多庫多表。隨著紅包數據量逐漸增大，單表數據量也逐漸增加。而DB的性能與單表數據量有一定相關性。當單表數據量達到一定程度時，DB性能會有大幅度下降，影響系統性能穩定性。采用冷熱分離，將歷史冷數據與當前熱數據分開存儲，可以解決這個問題。

　　處理微信紅包數據的冷熱分離時，系統在以紅包ID維度分庫表的基礎上，增加了以循環天分表的維度，形成了雙維度分庫表的特色。

　　具體來說，就是分庫表規則像db_xx.t_y_dd設計，其中，xx/y是紅包ID的hash值后三位，dd的取值范圍在01~31，代表一個月天數最多31天。

　　通過這種雙維度分庫表方式，解決了DB單表數據量膨脹導致性能下降的問題，保障了系統性能的穩定性。同時，在熱冷分離的問題上，又使得數據搬遷變得簡單而優雅。

　　綜上所述，微信紅包系統在解決高并發問題上的設計，主要采用了SET化分治、請求排隊、雙維度分庫表等方案，使得單組DB的并發性能提升了8倍左右，取得了很好的效果。

　　最后總結

　　微信紅包系統是一個高并發的資金交易系統，最大的技術挑戰是保障并發性能與資金安全。這種全新的技術挑戰，傳統的“秒殺”系統設計方案已不能完全解決。在分析了業界“秒殺”系統解決方案的基礎上，微信紅包采用了SET化、請求排隊串行化、雙維度分庫表等設計，形成了獨特的高并發、資金安全系統解決方案，并在平時節假日、2015和2016春節實踐中充分證明了可行性，取得了顯著的效果。在剛剛過去的2017雞年除夕夜，微信紅包收發峰值達到76萬每秒，收發微信紅包142億個，微信紅包系統的表現穩定，實現了除夕夜系統零故障

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