如何打造千万级Feed流系统

2022-02-06 03:35:46

在互联网领域，尤其现在的移动互联网时代，Feed流产品是非常常见的，比如我们每天都会用到的朋友圈，微博，就是一种非常典型的Feed流产品，还有图片分享网站Pinterest，花瓣网等又是另一种形式的Feed流产品。除此之外，很多App的都会有一个模块，要么叫动态，要么叫消息广场，这些也是Feed流产品，可以说，Feed流产品是遍布天下所有的App中。

概念

我们在讲如何设计Feed流系统之前，先来看一下Feed流中的一些概念：

Feed：Feed流中的每一条状态或者消息都是Feed，比如朋友圈中的一个状态就是一个Feed，微博中的一条微博就是一个Feed。
Feed流：持续更新并呈现给用户内容的信息流。每个人的朋友圈，微博关注页等等都是一个Feed流。
Timeline：Timeline其实是一种Feed流的类型，微博，朋友圈都是Timeline类型的Feed流，但是由于Timeline类型出现最早，使用最广泛，最为人熟知，有时候也用Timeline来表示Feed流。
关注页Timeline：展示其他人Feed消息的页面，比如朋友圈，微博的首页等。
个人页Timeline：展示自己发送过的Feed消息的页面，比如微信中的相册，微博的个人页等。

特征

Feed流系统有一些非常典型的特点，比如：

多账号内容流：Feed流系统中肯定会存在成千上万的账号，账号之间可以关注，取关，加好友和拉黑等操作。只要满足这一条，那么就可以当做Feed流系统来设计。
非稳定的账号关系：由于存在关注，取关等操作，所以系统中的用户之间的关系就会一直在变化，是一种非稳定的状态。
读写比例100:1：读写严重不平衡，读多写少，一般读写比例在10：1，甚至100：1以上。
消息必达性要求高：比如发送了一条朋友圈后，结果部分朋友看到了，部分朋友没看到，如果偏偏女朋友没看到，那么可能会产生很严重的感情矛盾，后果很严重。

上面的就是Feed流产品的一些特点，下面我们来看一下Feed流系统的分类。

实现

上面介绍了Feed流系统的概念，特征以及分类，接下来开始进入关键部分：如何实现一个千万级Feed流系统。由于系统中的所有用户不可能全部在线，且不可能同时刷新和发布Feed，那么一个能支撑千万量级Feed流的系统，其实在产品上可以支撑上亿的用户。

如果要设计一个Feed流系统，最关键的两个核心，一个是存储，一个是推送。

存储

我们先来看存储，Feed流系统中需要存储的内容分为两部分，一个是账号关系（比如关注列表），一种是Feed消息内容。不管是存储哪一种，都有几个问题需要考虑：

如何能支持100TB，甚至PB级数据量？
数据量大了后成本就很关键，成本如何能更便宜？
如何保证账号关系和Feed不丢失？

我们后面再解答这三个问题，先继续看推送

推送

推送系统需要的功能有两个，一个是发布Feed，一个是读取Feed流。对于提送系统，仍然有一些问题需要在选型之前考虑：

如何才能提供千万的TPS和QPS？
如何保证读写延迟在10ms，甚至2ms以下？
如何保证Feed的必达性？

再解答这些问题之前，我们先来大概了解下阿里云的表格存储TableStore。

TableStore

表格存储(TableStore)是阿里云自主研发的专业级分布式NoSQL数据库，是基于共享存储的高性能、低成本、易扩展、全托管的半结构化数据存储平台，
支撑互联网和物联网数据的高效计算与分析。

目前不管是阿里巴巴集团内部，还是外部公有云用户，都有成千上万的系统在使用。覆盖了重吞吐的离线应用，以及重稳定性，性能敏感的在线应用。目前使用的系统中，有些系统每秒写入行数超过3500万行，每秒流量超过5GB，单表总行数超过10万亿行，单表数据量超过10PB。

表格存储的具体的特性可以看下面这张图片。

这里就不详细介绍表格存储(TableStore)的功能和特性了，有兴趣的话可以到官网页面和云栖博客了解，地址如下：

表格存储的官网地址：https://www.aliyun.com/product/ots/
表格存储云栖博客：https://yq.aliyun.com/teams/4/type_blog-cid_22
表格存储钉钉交流群：11789671

存储系统选择

我们接下来解决之前提出来的问题。
Feed流系统中需要存储的系统有两类，一类是账号关系（比如关注列表），一类是Feed消息。

存储账号关系

我们先来看账号关系（比如关注列表）的存储，对于账号关系，它有一些特点：

是一系列的变长链表，长度可达亿级别。
这样就会导致数据量比较大，但是关系极其简单。
还有一点是性能敏感，直接影响关注，取关的响应速度。

最适合存账号关系（关注列表）的系统应该是分布式NoSQL数据库，原因是数据量极大，关系简单不需要复杂的join，性能要求高。
对内设计实现简单，对外用户体验好。

除了上面这些特点外，还有一个特点：

有序性：有序性并不要求具有排序功能，只需要能按照主键排序就行，只要能按照主键排序，那么关注列表和粉丝列表的顺序就是固定的，可预期的。

使用开源HBase存储账号关系

能满足有序性的分布式NoSQL数据库中，开源HBase就是一个，所以很多企业会选择开源HBase来存储账号关系，或者是关注列表。

这样虽然满足了上述四个特征，可以把系统搭建起来，但是会有一些麻烦的问题：

需要自己运维，调查问题，Fix bug，会带来较大的复杂度和成本开支。
GC会导致比较大的毛刺，影响用户体验，

使用表格存储(TableStore)存储账号关系

除此之外，阿里云的表格存储也属于有序性的分布式NoSQL数据库，之前有不少很有名的系统选择使用表格存储，在下面一些地方给系统带来了收益：

单表支持10万亿行+，10PB+的数据量，再快的数据增长速度都不用担心。
数据按主键列排序，保证有序性和可预期性。
单key读写延迟在毫秒级别，保证关注，取关的响应时间。
是全托管的分布式NoSQL数据库服务，无需任何运维。
全部采用C++ 实现，彻底无GC问题，也就不会由于GC而导致较大的毛刺。

使用表格存储(TableStore)来存储账号关系会是一个比较好的选择。

接下来看一下Feed消息的存储。

存储Feed消息

Feed消息有一个最大的特点：

数据量大，而且在Feed流系统里面很多时候都会选择写扩散（推模式）模式，这时候数据量会再膨胀几个数量级，所以这里的数据量很容易达到100TB，甚至PB级别。

除此之外，还有一些其他特点：

数据格式简单
数据不能丢失，可靠性要求高
自增主键功能，保证个人发的Feed的消息ID在个人发件箱中都是严格递增的，这样读取时只需要一个范围读取即可。由于个人发布的Feed并发度很低，这里用时间戳也能满足基本需求，但是当应用层队列堵塞，网络延迟变大或时间回退时，用时间戳还是无法保证严格递增。这里最好是有自增功能。
成本越低越好

潜在的存储系统

根据上述这些特征，最佳的系统应该是具有主键自增功能的分布式NoSQL数据库，但是在开源系统里面没有，所以常用的做法有两种：

关系型数据库 + 分库分表
关系型数据库 + 分布式NoSQL数据库：其中关系型数据库提供主键自增功能。

使用关系型数据库存储Feed消息

目前业界有很多用户选择了关系系数据库+ 分库分表，包括了一些非常著名的Feed流产品，虽然这个架构可以运行起来，但是存在一些问题。

分库分表带来了运维复杂性。
分库分表带来了逻辑层和数据层的极大耦合性。
关系型数据库，比如开源MySQL数据库的主键自增功能性能差。不管是用MyISAM，还是InnoDB引擎，要保证自增ID严格递增，必须使用表锁，这个粒度非常大，会严重限制并发度，影响性能。
有些用户觉得关系型数据库的可靠性高一些，但是关系型数据库的可靠性一般也就最多6个9，这个可靠性和分布式数据库完全不在一个层级，要低4到5个级别。

使用TableStore存储账号关系

基于上述原因，一些技术公司开始考虑使用表格存储(TableStore)，表格存储是一个具有自增主键功能的分布式NoSQL数据库，这样就只需要使用一种系统，除此之外还有以下的考虑：

单表可达10PB，10万亿行。
10个9的SLA保障Feed内容不丢失。
天然分布式数据库，无需分库分表
两种实例类型：高性能实例采用全SSD存储媒介，提供极佳的读写性能。混合存储实例采用SSD+SATA存储媒介，提供极低的存储成本。
主键自增功能性能极佳，其他所有系统在做自增功能的时候都需要加锁，但是表格存储的主键自增功能在写入自增列行的时候，完全不需要锁，既不需要表锁，也不需要行锁。

从上面看，使用TableStore的话，不管是在功能，性能，扩展性还是成本方面都要更加适合一些。

看完推送系统选择后，我们再来看看推送方案的选择。

推送方案

我们先来回顾下之前说的Feed流系统最大的特点：

读写严重不平衡，读多写少，一般读写比例都在10；1，甚至100：1之上。

除此之外，还有一个方面会被推送方案影响：

发布，刷新Feed时的延时本质上由推送方案决定，其他的任何操作都只能是优化，质量量变，无法质变。

推模式和拉模式对比

在推送方案里面的，有两种方案，分别是：

拉方案：也称为读扩散。
推方案：也成为写扩散。

对于拉方案和推方案，他们在很多方面完全相反，在看对比之前有一点要强调下：

对Feed流产品的用户而言，刷新Feed流（读取）时候的延迟敏感度要远远大于发布（写入）的时候。

拉模式(读扩散)	推模式(写扩散)
发布	个人页Timeline（发件箱）	粉丝的关注页（收件箱）
阅读	所有关注者的个人页Timeline	自己的关注页Timeline
网络最大开销	用户刷新时	发布Feed时
读写放大	放大读：读写比例到1万:1	放大写减少读：读写比例到50:50
个性化	不支持	支持
定向广告	不支持	支持

推模式的一个副作用

在上面的对比中可以明显看出来，推模式要远远比拉模式更好一些，但是也有一个副作用：

数据会极大膨胀。

针对这个缺点，可以从两个方面考虑：

目前的存储价格很低很低了，就以表格存储为例，容量型实例存储10TB的数据量，在现在（2017年10月）每年费用是1万六千元，以后价格会随着硬件技术升级，软件性能优化等继续降低。还有数据量越大价格越便宜。
想省点钱，那继续可以优化：
- 对大V采用拉模式，普通用户使用推模式，这种模式有个缺点，后面会有分析。
- 对活跃粉丝采用推模式，非活跃粉丝采用拉模式（这种方式可以较好的避免大流量对平台的冲击）

适用场景

通过上述两个方案的对比后，总结下各个方案的适用场景：

拉模式：
- 很多Feed流产品的第一版会采用这种方案，但很快就会抛弃。
- 另外，拉模式 + 图计算就会是另一番天地，但是这个时候重心就是图计算了。
推模式：
- Feed流系统中最常用、有效的模式；
- 用户关系数比较均匀，或者有上限，比如朋友圈；
- 偏推荐类，同一个Feed对不同用户价值不同，需要为不同用户计算分数，比如pinterest。
推拉结合
- 大部分用户的账号关系都是几百个，但是有个别用户是1000万以上，比如微博。

上面了解了推送方案，接下来看下推送系统选择

推送系统

如果要实现一个千万量级的Feed流产品，那么推送系统需要具备一些特点：

具备千万TPS/QPS的能力。
读写链路延迟敏感，读写直接会影响用户发布，刷新Feed流时的延迟，尤其是极其敏感的刷新时的延迟。
Feed消息的必达性要求很高。
主键自增功能，仍然是保证用户收件箱中的Feed ID是严格递增的，保证可以通过Scan(上次读取的最大ID --->MAX)读取到最新未读消息。
最好能为用户存储Timeline中所有的Feed。

从上述特点来看，需要的推送系统最好是一个性能极佳，又可靠的有自增功能的NoSQL系统，所以，业内一般如果选择开源系统的话，会在选择了关系型数据库作为存储系统的基础上，选择开源Redis，这样就能覆盖上述的几个特征，也能保证Feed流系统正常运行起来，但是也会带来一些其他问题：

纯内存系统，内存价格极高，整体成本就比较高了。
属于单机系统，为了支持千万TPS和保证消息必达性，需要使用cluster和replica模式，结果就是不仅带来了运维的复杂性，而且带来了成本的机器增加，成本再次上升。
成本上升了以后，就有架构师开始考虑是否可以节省一些成本，要节省成本只能是减少开源Redis里面存储的数据量，一般有两种做法，这两种做法都能减少存入Redis中的数据量：
- 只在开源Redis中存储Feed ID，不存储Feed内容。整体数据量会大量减少，但是在读取的时候需要先读Feed ID，然后在到存储系统里面去读取Feed内容，网络开销增长了一倍，而且是串行的，对用户的刷新延迟有较大影响。
- 只对普通用户或者活跃用户使用推模式，对大V和非活跃用户直接使用拉模式。

上述两个方案虽然可以节省成本，但是是以牺牲用户体验为代价的，最终需要在成本和用户体验之间权衡。

使用TableStore作为推送系统

除了使用开源系统外，还可以使用阿里云的表格存储（TableStore），有不少用户选择TableStore作为推送系统的原因无非下面几点：

天然分布式，单表可支持千万级TPS/QPS。
LSM存储引擎极大优化写，高性能实例极大优化读。
写入成功即保证落盘成功，数据可靠性提供10个9的SLA保障。
磁盘性数据库，费用比内存性的要低几个量级。
单表可存储十万亿行以上的数据，价格又低，轻松保存用户Feed流中的所有Feed数据。

上面说了使用开源Redis和阿里云TableStore的异同，如果使用开源可以用Redis，如果选择阿里云自研NoSQL数据库，可以使用TableStore。

架构图

下面我们来看一下使用TableStore的架构图，这里为了通用性，选用推拉结合的方式，推模式更加简单。

存储

我们先来看中间黑色框中的部分，这部分是使用TableStore的数据，从左往右分别是：

个人页Timeline：这个是每个用户的发件箱，也就是自己的个人页页面。
关注页Timeline：这个是每个用户的收件箱，也就是自己的关注页页面，内容都是自己关注人发布的消息。
关注列表：保存账号关系，比如朋友圈中的好友关系；微博中的关注列表等。
虚拟关注列表：这个主要用来个性化和广告。

发布Feed流程

当你发布一条Feed消息的时候，流程是这样的：

Feed消息先进入一个队列服务。
先从关注列表中读取到自己的粉丝列表，以及判断自己是否是大V。
将自己的Feed消息写入个人页Timeline（发件箱）。如果是大V，写入流程到此就结束了。
如果是普通用户，还需要将自己的Feed消息写给自己的粉丝，如果有100个粉丝，那么就要写给100个用户，包括Feed内容和Feed ID。
第三步和第四步可以合并在一起，使用BatchWriteRow接口一次性将多行数据写入TableStore。
发布Feed的流程到此结束。

读取Feed流流程

当刷新自己的Feed流的时候，流程是这样的：

先去读取自己关注的大V列表
去读取自己的收件箱，只需要一个GetRange读取一个范围即可，范围起始位置是上次读取到的最新Feed的ID，结束位置可以使当前时间，也可以是MAX，建议是MAX值。由于之前使用了主键自增功能，所以这里可以使用GetRange读取。
如果有关注的大V，则再次并发读取每一个大V的发件箱，如果关注了10个大V，那么则需要10次访问。
合并2和3步的结果，然后按时间排序，返回给用户。

至此，使用推拉结合方式的发布，读取Feed流的流程都结束了。

更简单的推模式

如果只是用推模式了，则会更加简单：

发布Feed：
1. 不用区分是否大V，所有用户的流程都一样，都是三步。
读取Feed流：
1. 不需要第一步，也不需要第三步，只需要第二步即可，将之前的2 + N(N是关注的大V个数) 次网络开销减少为 1 次网络开销。读取延时大幅降级。

个性化和定向广告

个性化和定向广告是两种很强烈的产品需求。个性化可以服务好用户，增大产品竞争力和用户粘性，而定向广告可以为产品增加盈利渠道，而且还可以不招来用户反感，那么这两种方式如何实现呢？在Feeds流里面这两种功能的实现方式差不多，我们以定向广告为例来说明：

通过用户特征分析对用户分类，比如其中有一类是新生类：今年刚上大学的新生。（具体的用户特征分析可以依靠TableStore + MaxCompute，这里就不说了）。
创建一个广告账号：新生广告
让这些具有新生特征的用户虚拟关注新生广告账号。用户看不到这一层关注关系。
从七月份开始就可以通过新生广告账号发送广告了。
最终，每个用户可能会有多个特征，那么就可能虚拟关注多个广告账号。

上面是定向广告的一种比较简单的实现方式，其他方式就不再赘述了。

收益

上面我们详细说了使用TableStore作为存储和推送系统的架构，接下来我们看看新架构能给我们带来多大收益。

只使用1种系统，架构、实现简单。不再需要访问多个系统，架构，开发，测试，运维都能节省大力人力时间。
TableStore 主键自增列功能性能极优。由于架构的不同，不仅不需要表锁，行锁也不需要，所以性能要远远好于关系型数据库。
可以保存所有的Feed。一是系统可以支持存储所有Feed，二是价格便宜，存的起。
无须将Feed ID和内容分开存储。价格便宜，也就不需要再分开存储ID和内容了。
全托管服务，无运维操作，更无需分库分表。
磁盘型(SSD、Hybrid)数据库，成本低。
可靠性10个9，数据更可靠，更不易丢失。
大V和普通用户的切分阈值更高，读取大V的次数更少，整体延时更低。

一个设计缺陷

如果使用大V/普通用户的切分方式，大V使用拉模式，普通用户使用推模式，那么这种架构就会存在一种很大的风险。
比如某个大V突然发了一个很有话题性的Feed，那么就有可能导致整个Feed产品中的所有用户都没法读取新内容了，原因是这样的：

大V发送Feed消息。
大V，使用拉模式。
大V的活跃粉丝（用户群A）开始通过拉模式（架构图中读取的步骤3，简称读3）读取大V的新Feed。
Feed内容太有话题性了，快速传播。
未登录的大V粉丝（用户群B）开始登陆产品，登陆进去后自动刷新，再次通过读3步骤读取大V的Feed内容。
非粉丝（用户群C）去大V的个人页Timeline里面去围观，再次需要读取大V个人的Timeline，同读3.

结果就是，平时正常流量只有用户群A，结果现在却是用户群A + 用户群B+ 用户群C，流量增加了好几倍，甚至几十倍，导致读3路径的服务模块被打到server busy或者机器资源被打满，导致读取大V的读3路径无法返回请求，如果Feed产品中的用户都有关注大V，那么基本上所有用户都会卡死在读取大V的读3路径上，然后就没法刷新了。

所以这里设计的时候就需要重点关心下面两点：

单个模块的不可用，不应该阻止整个关键的读Feed流路径，如果大V的无法读取，但是普通用户的要能返回，等服务恢复后，再补齐大V的内容即可。
当模块无法承受这么大流量的时候，模块不应该完全不可服务，而应该能继续提供最大的服务能力，超过的拒绝掉。

那么如何优化呢？

不使用大V/普通用户的优化方式，使用活跃用户/非活跃用户的优化方式。这样的话，就能把用户群A和部分用户群B分流到其他更分散的多个路径上去。而且，就算读3路径不可用，仍然对活跃用户无任何影响。
完全使用推模式就可以彻底解决这个问题，但是会带来存储量增大，大V微博发送总时间增大，从发给第一个粉丝到发给最后一个粉丝可能要几分钟时间（一亿粉丝，100万行每秒，需要100秒），还要为最大并发预留好资源，如果使用表格存储，因为是云服务，则不需要考虑预留最大额度资源的问题。

实践

接下来我们来实现一个消息广场的功能。很多App中都有动态或消息广场的功能，在消息广场中一般有两个Tab，一个是关注人，一个是广场，我们这里重点来看关注人。

要实现的功能如下：

用户之间可以相互关注
用户可以发布新消息
用户可以查看自己发布的消息列表
用户可以查看自己关注的人的消息

采取前面的方案：

使用TableStore作为存储和推送系统
采用Timeline的显示方式，希望用户可以认真看每条Feed
采用推模式

角色

接着，我们看看角色和每个角色需要的功能：

发送者
- 发送状态：add_activity()
接收者
- 关注：follow()
- 读取Feed流：get_activity()

Feed消息中至少需要包括下面内容：

消息：
- 发送人：actor
- 类型：verb，比如图片，视频，文本
- 文本文字：message

架构图

发布新消息
- 接口：add_activity()
- 实现：
  - get_range接口调用关注列表，返回粉丝列表。
  - batch_write_row接口将feed内容和ID批量写入个人页表（发件箱）和所有粉丝的关注页表（收件箱），如果量太大，可以多次写入。或者调用异步batch_write_row接口，目前C++ SDK和JAVA SDK提供异步接口。
关注
- 接口：follow()
- 实现：
  - put_row接口直接写入一行数据(关注人，粉丝)到关注列表和粉丝列表（粉丝，关注人）即可。
获取Feed流消息
- 接口：get_activity()
- 实现：
  - 从客户端获取上次读取到的最新消息的ID：last_id
  - 使用get_range接口读取最新的消息，起始位置是last_id，结束位置是MAX。
  - 如果是读取个人页的内容，访问个人页表即可。如果是读取关注页的内容，访问关注页表即可。

计划

上面展示了如何使用表格存储TableStore的API来实现。这个虽然只用到几个接口，但是仍然需要学习表格存储的API和特性，还是有点费时间。

为了更加易用性，我们接下来会提供Feeds流完整解决方案，提供一个LIB，接口直接是add_activity()，follow()和get_activity()类似的接口，使用上会更加简单和快捷。

扩展

前面讲述的都是Timeline类型的Feed流类型，但是还有一种Feed流类型比较常见，那就是新闻推荐，图片分享网站常用的Rank类型。
我们再来回顾下Rank类型擅长的领域：

潜在Feed内容非常多，用户无法全部看完，也不需要全部看完，那么需要为用户选出她最想看的内容，典型的就是图片分享网站，新闻推荐网站等。

我们先来看一种架构图：

这种Rank方式比较轻量级，适用于推拉结合的场景。
写流程基本一样
读流程里面会先读取所有的Feed内容，这个和Timeline也一样，Timeline里面的话，这里会直接返回给用户，但是Rank类型需要在一个排序模块里面，按照某个属性值排序，然后将所有结果存入一个timeline cache中，并返回分数最高的N个结果，下次读取的时候再返回[N+1, 2N]的结果。

再来看另外一种：

这种比较重量级，适用于纯推模式。
写流程也和Timeline一样。
每个用户有两个收件箱：
- 一个是关注页Timeline，保存原始的Feed内容，用户无法直接查看这个收件箱。
- 一个是rank timeline，保存为用户精选的Feed内容，用户直接查看这个收件箱。
写流程结束后还有一个数据处理的流程。个性化排序系统从原始Feed收件箱中获取到新的Feed 内容，按照用户的特征，Feed的特征计算出一个分数，每个Feed在不同用户的Timeline中可能分数不一样的，计算完成后再排序然后写入最终的rank timeline。
这种方式可以真正为每个用户做到“千人千面”。

上述两种方式是实现Rank的比较简单，常用的方式。

最后

从上面的内容来看，表格存储(TableStore)在存储方面可以支持10PB级，推送方面可以支撑每秒千万的TPS/QPS，在Feed流系统中可以发挥很大的价值。

目前，已经有不少著名公司在使用表格存储(TableStore)来构建他们自己的Feed流系统，最终为系统，产品，公司都带来了不少收益。

如果您正在设计Feed流系统，或者对Feed流系统很感兴趣，可以加入下面的钉钉群讨论：

表格存储公开交流群：钉钉群号码：11789671
表格存储介绍及其多种解决方案汇总：TableStore进阶之路

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