Java生鲜电商平台-秒杀系统微服务架构设计与源码解析实战

2021-08-14 01:37:42

Java生鲜电商平台-秒杀系统微服务架构设计与源码解析实战

Java生鲜电商平台-  什么是秒杀

通俗一点讲就是网络商家为促销等目的组织的网上限时抢购活动

比如说京东秒杀，就是一种定时定量秒杀，在规定的时间内，无论商品是否秒杀完毕，该场次的秒杀活动都会结束。这种秒杀，对时间不是特别严格，只要下手快点，秒中的概率还是比较大的。

淘宝以前就做过一元抢购，一般都是限量 1 件商品，同时价格低到「令人发齿」，这种秒杀一般都在开始时间 1 到 3 秒内就已经抢光了，参与这个秒杀一般都是看运气的，不必太强求

业务特点

 
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瞬时并发量大

秒杀时会有大量用户在同一时间进行抢购，瞬时并发访问量突增 10 倍，甚至 100 倍以上都有。

库存量少

一般秒杀活动商品量很少，这就导致了只有极少量用户能成功购买到。

业务简单

流程比较简单，一般都是下订单、扣库存、支付订单

技术难点

 
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现有业务的冲击

秒杀是营销活动中的一种，如果和其他营销活动应用部署在同一服务器上，肯定会对现有其他活动造成冲击，极端情况下可能导致整个电商系统服务宕机

直接下订单

下单页面是一个正常的 URL 地址，需要控制在秒杀开始前，不能下订单，只能浏览对应活动商品的信息。简单来说，需要 Disable 订单按钮

页面流量突增

秒杀活动开始前后，会有很多用户请求对应商品页面，会造成后台服务器的流量突增，同时对应的网络带宽增加，需要控制商品页面的流量不会对后台服务器、DB、Redis 等组件的造成过大的压力

架构设计思想

 
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限流

由于活动库存量一般都是很少，对应的只有少部分用户才能秒杀成功。所以我们需要限制大部分用户流量，只准少量用户流量进入后端服务器

削峰

秒杀开始的那一瞬间，会有大量用户冲击进来，所以在开始时候会有一个瞬间流量峰值。如何把瞬间的流量峰值变得更平缓，是能否成功设计好秒杀系统的关键因素。实现流量削峰填谷，一般的采用缓存和 MQ 中间件来解决

异步

秒杀其实可以当做高并发系统来处理，在这个时候，可以考虑从业务上做兼容，将同步的业务，设计成异步处理的任务，提高网站的整体可用性

缓存

秒杀系统的瓶颈主要体现在下订单、扣减库存流程中。在这些流程中主要用到 OLTP 的数据库，类似 MySQL、SQLServer、Oracle。由于数据库底层采用 B+ 树的储存结构，对应我们随机写入与读取的效率，相对较低。如果我们把部分业务逻辑迁移到内存的缓存或者 Redis 中，会极大的提高并发效率

整体架构

 
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客户端优化

秒杀页面

秒杀活动开始前，其实就有很多用户访问该页面了。如果这个页面的一些资源，比如 CSS、JS、图片、商品详情等，都访问后端服务器，甚至 DB 的话，服务肯定会出现不可用的情况。所以一般我们会把这个页面整体进行静态化，并将页面静态化之后的页面分发到 CDN 边缘节点上，起到压力分散的作用

防止提前下单

防止提前下单主要是在静态化页面中加入一个 JS 文件引用，该 JS 文件包含活动是否开始的标记以及开始时的动态下单页面的 URL 参数。同时，这个 JS 文件是不会被 CDN 系统缓存的，会一直请求后端服务的，所以这个 JS 文件一定要很小。当活动快开始的时候（比如提前），通过后台接口修改这个 JS 文件使之生效

API 接入层优化

客户端优化，对于不是搞计算机方面的用户还是可以防止住的。但是稍有一定网络基础的用户就起不到作用了，因此服务端也需要加些对应控制，不能信任客户端的任何操作。一般控制分为 2 大类

限制用户维度访问频率

针对同一个用户（ Userid 维度），做页面级别缓存，单元时间内的请求，统一走缓存，返回同一个页面

限制商品维度访问频率

大量请求同时间段查询同一个商品时，可以做页面级别缓存，不管下回是谁来访问，只要是这个页面就直接返回

SOA 服务层优化

上面两层只能限制异常用户访问，如果秒杀活动运营的比较好，很多用户都参加了，就会造成系统压力过大甚至宕机，因此需要后端流量控制

对于后端系统的控制可以通过消息队列、异步处理、提高并发等方式解决。对于超过系统水位线的请求，直接采取 「Fail-Fast」原则，拒绝掉

秒杀整体流程图

 
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秒杀系统核心在于层层过滤，逐渐递减瞬时访问压力，减少最终对数据库的冲击。通过上面流程图就会发现压力最大的地方在哪里？

MQ 排队服务，只要 MQ 排队服务顶住，后面下订单与扣减库存的压力都是自己能控制的，根据数据库的压力，可以定制化创建订单消费者的数量，避免出现消费者数据量过多，导致数据库压力过大或者直接宕机。

库存服务专门为秒杀的商品提供库存管理，实现提前锁定库存，避免超卖的现象。同时，通过超时处理任务发现已抢到商品，但未付款的订单，并在规定付款时间后，处理这些订单，将恢复订单商品对应的库存量

Nginx优化

  1. 动静分离，不走tomcat获取静态资源
 server {

        listen       8088;

    location ~ \.(gif|jpg|jpeg|png|bmp|swf)$ {

        root    C:/Users/502764158/Desktop/test;

    } 

    location ~ \.(jsp|do)$ {

            proxy_pass http://localhost:8082;

        }

    }

 }
  1. gzip压缩，减少静态文件传输的体积，节省带宽，提高渲染速度
gzip on;

gzip_min_length 1k;

gzip_buffers 4 16k;

gzip_comp_level 3;

gzip_disable "MSIE [1-6]\.";

gzip_types   text/plain application/x-javascript text/css application/xml text/javascript image/jpeg image/gif image/png;
  1. 配置集群负载和容灾，设置失效重连的时间，失效后，定期不会再重试挂掉的节点,参数
  • fail_timeout默认为10s
  • max_fails默认为1。就是说，只要某个server失效一次，则在接下来的10s内，就不会分发请求到该server上
  • proxy_connect_timeout 后端服务器连接的超时时间_发起握手等候响应超时时间
upstream  diancai.com {

  #服务器集群名字

  server    127.0.0.1:8080;

  server    127.0.0.1:38083;

  server    127.0.0.1:8083;

} 

server {

  listen       88;

  server_name  localhost;

  location / {

    proxy_pass http://diancai.com;

    proxy_connect_timeout       1;

    fail_timeout 5;

  }

}
  1. 集成Varnish做静态资源的缓存
  2. 集成tengine做过载的保护

页面优化

  1. 降低交互的压力
  • 尽量把js、css文件放在少数几个里面，减少浏览器和后端交互获取静态资源的次数
  • 尽量避免在秒杀商品页面使用大的图片，或者使用过多的图片
  1. 安全控制
  • 时间有效性验证：未到秒杀时间不能进行抢单，并且同时程序后端也要做时间有效性验证，因为网页的时间和各自的系统时间决定，而且秒杀器可以通过绕开校验直接调用抢单
  • 异步抢单：通过点击按钮刷新抢宝，而不是刷新页面的方式抢宝（答题验证码等等也是ajax交互）
  • redis做IP限流
  • redis做UserId限流

Redis集群

  1. 分布式锁（悲观锁）

  2. 缓存热点数据（库存）：如果QPS太高的话，另一种方案是通过localcache，分布式状态一致性通过数据库来控制

  3. 分布式悲观锁（参考redis悲观锁的代码）

  • 悲观锁（因为肯定争抢严重）
  • Expire时间（抢到锁后，立刻设置过期时间，防止某个线程的异常停摆，导致整个业务的停摆）
  • 定时循环和快速反馈（for缓存有超时设置，每次超时后，重新读取一次库存，还有货再进行第二轮的for循环争夺，实现快速反馈，避免没有货了还在持续抢锁）
  1. 异步处理订单
  • redis抢锁成功后，记录抢到锁的用户信息后，就可以直接释放锁，并反馈用户，通过异步的方式来处理订单，提升秒杀的效率，降低无意义的线程等待
  • 为了避免异步的数据不同步，需要抢到锁的时候，在redis里面缓存用户信息列表，缓存结束后，触发抢单成功用户信息持久化，并且定时的比对一致性

消息队列限流

消息队列削峰限流(RocketMQ自带的Consumer自带线程池和限流措施)，集群。一般都是微服务，订单中心、库存中心、积分中心、用户的商品中心

数据库

  • 拆分事务提高并发度
  • 根据业务需求考虑分库：读写分离、热点隔离拆分，但是会引入分布式事务问题，以及跨库操作的难度
    要执行的操作：扣减库存、生成新订单、生成待支付订单、扣减优惠券、积分变动
    库存表是数据库并发的瓶颈所在，需要在事务控制上做权衡：可以把扣减库存设置成一个独立的事务，其它操作成一个大的事务（订单、优惠券、积分操作），提高并发度，但是要做好额外的check
    update 库存表 set 库存=库存-1 where id=** and 库存>1
  • 为了提升并发，需要在事务上做妥协
    单机上拆分事务：比如扣减库存表+(生成待支付订单+优惠券扣减+积分变动)是一个大的事务，为了提高并发，可以拆分为2个事务
    分库以后引入分布式事务问题,为了保证用户体验，最好还是通过日志分析来人工维护，否则阻塞太严重，并发差

答题验证码

  1. 可以防止秒杀器的干扰，让更多用户有机会抢到
  2. 延缓请求，每个人的反应时间不同，把瞬间流量分散开来了
  3. 验证码的设计可以分为2种

  • 验证失败重新刷新答题（12306）：服务器交互量大，每错一次交互一次，但是可以大大降低秒杀器答题的可能性，因为没有试错这个功能，答题一直在变
    验证失败提示失败，但是不刷新答题的算法：要么答题成功，进入下单界面，要么提示打错，继续答题（不刷新答题，无须交互，用js验证结果)。
    这种方案，可以在加载题目的时候一起加载MD5加密的答案，然后后台再校验一遍，实现类似的防止作弊的效果。好处是不需要额外的服务器交互。
    MD加密答案的算法里面要引入 userId PK这些因素进来来确保每次答案都不一样而且没有规律，避免秒杀器统计结果集

  • 答题的验证：除了验证答案的正确性意外，还要统计反应时间，例如12306的难题，正常人类的答题速度最快是1.5s，那么，小于1s的验证可以判定为机器验证

总结

层层过滤，尽量将请求拦截在上游，降低下游的压力，充分利用缓存与消息队列，提高请求处理速度以及削峰填谷的作用

削峰限流

  • 前端+Redis拦截，只有redis扣减成功的请求才能进入到下游
  • MQ堆积订单，保护订单处理层的负载，Consumer根据自己的消费能力来取Task，实际上下游的压力就可控了。重点做好路由层和MQ的安全
  • 引入答题验证码、请求的随机休眠等措施，削峰填谷

安全保护

  • 页面和前端要做判断，防止活动未开始就抢单，防止重复点击按钮连续抢单
  • 防止秒杀器恶意抢单，IP限流、UserId限流限购、引入答题干扰答题器，并且对答题器答题时间做常理推断
  • 过载丢弃，QPS或者CPU等核心指标超过一定限额时，丢弃请求，避免服务器挂掉，保证大部分用户可用

页面优化，动静分离

  • 秒杀商品的网页内容尽可能做的简单：图片小、js css 体积小数量少，内容尽可能的做到动静分离
  • 秒杀的抢宝过程中做成异步刷新抢宝，而不需要用户刷新页面来抢，降低服务器交互的压力
  • 可以使用Nginx的动静分离，不通过传统web浏览器获取静态资源
  • nginx开启gzip压缩，压缩静态资源，减少传输带宽，提升传输速度
  • 或者使用Varnish，把静态资源缓存到内存当中，避免静态资源的获取给服务器造成的压力

异步处理

  • redis抢单成功后，把后续的业务丢到线程池中异步的处理，提高抢单的响应速度
  • 线程池处理时，把任务丢到MQ中，异步的等待各个子系统处理（订单系统、库存系统、支付系统、优惠券系统），异步操作有事务问题，本地事务和分布式事务，但是为了提升并发度，最好牺牲一致性。通过定时扫描统计日志，来发现有问题的订单，并且及时处理

热点分离

尽量的避免秒杀功能给正常功能带来的影响，比如秒杀把服务器某个功能拖垮了
分离可以提升系统的容灾性，但是完全的隔离的改造成本太高了，尽量借助中间件的配置，来实现冷热分离

  • 集群节点的分离：nginx配置让秒杀业务走的集群节点和普通业务走的集群不一样。
  • MQ的分离：避免秒杀业务把消息队列堆满了，普通业务的交易延迟也特别厉害。
  • 数据库的分离：根据实际的秒杀的QPS来选择，热点数据分库以后，增加了分布式事务的问题，以及查询的时候跨库查询性能要差一些（ShardingJDBC有这种功能），所以要权衡以后再决定是否需要分库

避免单点

各个环节都要尽力避免

降级

临时关闭一些没那么重要的功能，比如秒杀商品的转赠功能、红包的提现功能，待秒杀峰值过了，设置开关，再动态开放这些次要的功能

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