如何設(shè)計抗住100億次請求的搶紅包系統(tǒng)？（附GitHub代碼）

1. 前言

前幾天，偶然看到了 《扛住100億次請求——如何做一個“有把握”的春晚紅包系統(tǒng)”》一文，看完以后，感慨良多，收益很多。

正所謂他山之石，可以攻玉，雖然此文發(fā)表于2015年，我看到時已經(jīng)過去良久，但是其中的思想仍然是可以為很多后端設(shè)計借鑒。

同時作為一微信后端工程師，看完以后又會思考，學(xué)習(xí)了這樣的文章以后，是否能給自己的工作帶來一些實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，能否自己實(shí)踐一下100億次紅包請求呢？

否則讀完以后腦子里能剩下的東西不過就是100億 1400萬QPS整流 這樣的字眼，剩下的文章將展示作者是如何以此過程為目標(biāo)，在本地環(huán)境的模擬了此過程。

實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：單機(jī)支持100萬連接，模擬了搖紅包和發(fā)紅包過程，單機(jī)峰值QPS 6萬，平穩(wěn)支持了業(yè)務(wù)。

注：本文以及作者所有內(nèi)容，僅代表個人理解和實(shí)踐，過程和微信團(tuán)隊沒有任何關(guān)系，真正的線上系統(tǒng)也不同，只是從一些技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)踐，請讀者進(jìn)行區(qū)分。

2. 背景知識

• QPS：Queries per second 每秒的請求數(shù)目

• PPS：Packets per second 每秒數(shù)據(jù)包數(shù)目

• 搖紅包：客戶端發(fā)出一個搖紅包的請求，如果系統(tǒng)有紅包就會返回，用戶獲得紅包

• 發(fā)紅包：產(chǎn)生一個紅包里面含有一定金額，紅包指定數(shù)個用戶，每個用戶會收到紅包信息，用戶可以發(fā)送拆紅包的請求，獲取其中的部分金額。

3. 確定目標(biāo)

在一切系統(tǒng)開始以前，我們應(yīng)該搞清楚我們的系統(tǒng)在完成以后，應(yīng)該有一個什么樣的負(fù)載能力。

3.1 用戶總數(shù)

通過文章我們可以了解到接入服務(wù)器638臺，服務(wù)上限大概是14.3億用戶， 所以單機(jī)負(fù)載的用戶上限大概是14.3億/638臺=228萬用戶/臺。

但是目前中國肯定不會有14億用戶同時在線，參考http://qiye.qianzhan.com/show/detail/160818-b8d1c700.html的說法，2016年Q2 微信用戶大概是8億，月活在5.4 億左右。

所以在2015年春節(jié)期間，雖然使用的用戶會很多，但是同時在線肯定不到5.4億。

3.2. 服務(wù)器數(shù)量

一共有638臺服務(wù)器，按照正常運(yùn)維設(shè)計，我相信所有服務(wù)器不會完全上線，會有一定的硬件冗余，來防止突發(fā)硬件故障。假設(shè)一共有600臺接入服務(wù)器。

3.3 單機(jī)需要支持的負(fù)載數(shù)

每臺服務(wù)器支持的用戶數(shù)：5.4億/600 = 90萬。也就是平均單機(jī)支持90萬用戶。如果真實(shí)情況比90萬更多，則模擬的情況可能會有偏差，但是我認(rèn)為QPS在這個實(shí)驗(yàn)中更重要。

3.4. 單機(jī)峰值QPS

文章中明確表示為1400萬QPS.這個數(shù)值是非常高的，但是因?yàn)橛?00臺服務(wù)器存在，所以單機(jī)的QPS為 1400萬/600= 約為2.3萬QPS

文章曾經(jīng)提及系統(tǒng)可以支持4000萬QPS，那么系統(tǒng)的QPS 至少要到4000萬/600 = 約為 6.6萬, 這個數(shù)值大約是目前的3倍，短期來看并不會被觸及。但是我相信應(yīng)該做過相應(yīng)的壓力測試。

3.5. 發(fā)放紅包

文中提到系統(tǒng)以5萬個每秒的下發(fā)速度，那么單機(jī)每秒下發(fā)速度50000/600 ＝83個/秒，也就是單機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該保證每秒以83個的速度下發(fā)即可。

最后考慮到系統(tǒng)的真實(shí)性，還至少有用戶登錄的動作，拿紅包這樣的業(yè)務(wù)。真實(shí)的系統(tǒng)還會包括聊天這樣的服務(wù)業(yè)務(wù)。

最后整體的看一下 100億次搖紅包這個需求，假設(shè)它是均勻地發(fā)生在春節(jié)聯(lián)歡晚會的4個小時里，那么服務(wù)器的QPS 應(yīng)該是10000000000/600/3600/4.0=1157. 也就是單機(jī)每秒1000多次，這個數(shù)值其實(shí)并不高。

如果完全由峰值速度1400萬消化 10000000000/(1400*10000) = 714秒，也就是說只需要峰值堅持11分鐘，就可以完成所有的請求。可見互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的一個特點(diǎn)就是峰值非常高，持續(xù)時間并不會很長。

總結(jié)

從單臺服務(wù)器看，它需要滿足下面一些條件：

1. 支持至少100萬連接用戶

2. 每秒至少能處理2.3萬的QPS，這里我們把目標(biāo)定得更高一些 分別設(shè)定到了3萬和6萬。

3. 搖紅包：支持每秒83個的速度下發(fā)放紅包，也就是說每秒有2.3萬次搖紅包的請求，其中83個請求能搖到紅包，其余的2.29萬次請求會知道自己沒搖到。

4. 當(dāng)然客戶端在收到紅包以后，也需要確保客戶端和服務(wù)器兩邊的紅包數(shù)目和紅包內(nèi)的金額要一致。因?yàn)闆]有支付模塊，所以我們也把要求提高一倍，達(dá)到200個紅包每秒的分發(fā)速度

5. 支持用戶之間發(fā)紅包業(yè)務(wù)，確保收發(fā)兩邊的紅包數(shù)目和紅包內(nèi)金額要一致。同樣也設(shè)定200個紅包每秒的分發(fā)速度為我們的目標(biāo)。

想完整模擬整個系統(tǒng)實(shí)在太難了，首先需要海量的服務(wù)器，其次需要上億的模擬客戶端。這對我來說是辦不到

但是有一點(diǎn)可以確定，整個系統(tǒng)是可以水平擴(kuò)展的，所以我們可以模擬100萬客戶端，在模擬一臺服務(wù)器 那么就完成了1/600的模擬。

和現(xiàn)有系統(tǒng)區(qū)別：和大部分高QPS測試的不同，本系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)有所不同。我對2者做了一些對比。

4. 基礎(chǔ)軟件和硬件

4.1軟件

Golang 1.8r3 , shell, python (開發(fā)沒有使用c++ 而是使用了golang, 是因?yàn)槭褂胓olang 的最初原型達(dá)到了系統(tǒng)要求。雖然golang 還存在一定的問題，但是和開發(fā)效率比，這點(diǎn)損失可以接受)

服務(wù)器操作系統(tǒng)：Ubuntu 12.04

客戶端操作系統(tǒng)：debian 5.0

4.2硬件環(huán)境

服務(wù)端：dell R2950。8核物理機(jī)，非獨(dú)占有其他業(yè)務(wù)在工作，16G內(nèi)存。這臺硬件大概是7年前的產(chǎn)品，性能應(yīng)該不是很高要求。

服務(wù)器硬件版本：

服務(wù)器CPU信息：

客戶端：esxi 5.0 虛擬機(jī)，配置為4核 5G內(nèi)存。一共17臺，每臺和服務(wù)器建立6萬個連接。完成100萬客戶端模擬

5. 技術(shù)分析和實(shí)現(xiàn)

5.1) 單機(jī)實(shí)現(xiàn)100萬用戶連接

這一點(diǎn)來說相對簡單，筆者在幾年前就早完成了單機(jī)百萬用戶的開發(fā)以及操作?，F(xiàn)代的服務(wù)器都可以支持百萬用戶。相關(guān)內(nèi)容可以查看：

github代碼以及相關(guān)文檔：

https://github.com/xiaojiaqi/C1000kPracticeGuide

系統(tǒng)配置以及優(yōu)化文檔：

https://github.com/xiaojiaqi/C1000kPracticeGuide/tree/master/docs/cn

5.2) 3萬QPS

這個問題需要分2個部分來看客戶端方面和服務(wù)器方面。

• 客戶端QPS

因?yàn)橛?00萬連接連在服務(wù)器上，QPS為3萬。這就意味著每個連接每33秒，就需要向服務(wù)器發(fā)一個搖紅包的請求。

因?yàn)閱蜪P可以建立的連接數(shù)為6萬左右， 有17臺服務(wù)器同時模擬客戶端行為。我們要做的就保證在每一秒都有這么多的請求發(fā)往服務(wù)器即可。

其中技術(shù)要點(diǎn)就是客戶端協(xié)同。但是各個客戶端的啟動時間，建立連接的時間都不一致，還存在網(wǎng)絡(luò)斷開重連這樣的情況，各個客戶端如何判斷何時自己需要發(fā)送請求，各自該發(fā)送多少請求呢？

我是這樣解決的：利用NTP服務(wù)，同步所有的服務(wù)器時間，客戶端利用時間戳來判斷自己的此時需要發(fā)送多少請求。

算法很容易實(shí)現(xiàn)：假設(shè)有100萬用戶，則用戶id 為0-999999.要求的QPS為5萬， 客戶端得知QPS為5萬，總用戶數(shù)為100萬，它計算 100萬/5萬=20，所有的用戶應(yīng)該分為20組

如果 time() % 20 == 用戶id % 20，那么這個id的用戶就該在這一秒發(fā)出請求，如此實(shí)現(xiàn)了多客戶端協(xié)同工作。每個客戶端只需要知道 總用戶數(shù)和QPS 就能自行準(zhǔn)確發(fā)出請求了。

（擴(kuò)展思考：如果QPS是3萬 這樣不能被整除的數(shù)目，該如何辦？如何保證每臺客戶端發(fā)出的請求數(shù)目盡量的均衡呢？）

• 服務(wù)器QPS

服務(wù)器端的QPS相對簡單，它只需要處理客戶端的請求即可。但是為了客觀了解處理情況，我們還需要做2件事情。

• 第一：需要記錄每秒處理的請求數(shù)目，這需要在代碼里埋入計數(shù)器。

• 第二：我們需要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的吞吐情況，可以客觀的反映出QPS的真實(shí)數(shù)據(jù)。

• 為此，我利用python腳本 結(jié)合ethtool 工具編寫了一個簡單的工具，通過它我們可以直觀的監(jiān)視到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包通過情況如何。它可以客觀的顯示出我們的網(wǎng)絡(luò)有如此多的數(shù)據(jù)傳輸在發(fā)生。

工具截圖：

5.3) 搖紅包業(yè)務(wù)

搖紅包的業(yè)務(wù)非常簡單，首先服務(wù)器按照一定的速度生產(chǎn)紅包。紅包沒有被取走的話，就堆積在里面。

服務(wù)器接收一個客戶端的請求，如果服務(wù)器里現(xiàn)在有紅包就會告訴客戶端有，否則就提示沒有紅包。

因?yàn)閱螜C(jī)每秒有3萬的請求，所以大部分的請求會失敗。只需要處理好鎖的問題即可。

我為了減少競爭，將所有的用戶分在了不同的桶里。這樣可以減少對鎖的競爭。如果以后還有更高的性能要求，還可以使用 高性能隊列——Disruptor來進(jìn)一步提高性能。

注意，在我的測試環(huán)境里是缺少支付這個核心服務(wù)的，所以實(shí)現(xiàn)的難度是大大的減輕了。

另外提供一組數(shù)字：2016年淘寶的雙11的交易峰值僅僅為12萬/秒，微信紅包分發(fā)速度是5萬/秒，要做到這點(diǎn)是非常困難的。（http://mt.sohu.com/20161111/n472951708.shtml）

5.4) 發(fā)紅包業(yè)務(wù)

發(fā)紅包的業(yè)務(wù)很簡單，系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生一些紅包，并且隨機(jī)選擇一些用戶，系統(tǒng)向這些用戶提示有紅包。

這些用戶只需要發(fā)出拆紅包的請求，系統(tǒng)就可以隨機(jī)從紅包中拆分出部分金額，分給用戶，完成這個業(yè)務(wù)。同樣這里也沒有支付這個核心服務(wù)。

5.5）監(jiān)控

最后 我們需要一套監(jiān)控系統(tǒng)來了解系統(tǒng)的狀況，我借用了我另一個項(xiàng)目(https://github.com/xiaojiaqi/fakewechat)

里的部分代碼完成了這個監(jiān)控模塊，利用這個監(jiān)控，服務(wù)器和客戶端會把當(dāng)前的計數(shù)器內(nèi)容發(fā)往監(jiān)控，監(jiān)控需要把各個客戶端的數(shù)據(jù)做一個整合和展示。

同時還會把日志記錄下來，給以后的分析提供原始數(shù)據(jù)。線上系統(tǒng)更多使用opentsdb這樣的時序數(shù)據(jù)庫，這里資源有限，所以用了一個原始的方案。

監(jiān)控顯示日志大概這樣：

6. 代碼實(shí)現(xiàn)及分析

在代碼方面，使用到的技巧實(shí)在不多，主要是設(shè)計思想和golang本身的一些問題需要考慮。

首先golang的goroutine 的數(shù)目控制，因?yàn)橹辽儆?00萬以上的連接，所以按照普通的設(shè)計方案，至少需要200萬或者300萬的goroutine在工作。這會造成系統(tǒng)本身的負(fù)擔(dān)很重。

其次就是100萬個連接的管理，無論是連接還是業(yè)務(wù)都會造成一些心智的負(fù)擔(dān)。

我的設(shè)計是這樣的：

首先將100萬連接分成多個不同的SET，每個SET是一個獨(dú)立，平行的對象。每個SET 只管理幾千個連接，如果單個SET 工作正常，我只需要添加SET就能提高系統(tǒng)處理能力。

其次謹(jǐn)慎的設(shè)計了每個SET里數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小，保證每個SET的壓力不會太大，不會出現(xiàn)消息的堆積。

再次減少了gcroutine的數(shù)目，每個連接只使用一個goroutine,發(fā)送消息在一個SET里只有一個gcroutine負(fù)責(zé)，這樣節(jié)省了100萬個goroutine。

這樣整個系統(tǒng)只需要保留 100萬零幾百個gcroutine就能完成業(yè)務(wù)。大量的節(jié)省了cpu 和內(nèi)存

系統(tǒng)的工作流程大概是：每個客戶端連接成功后，系統(tǒng)會分配一個goroutine讀取客戶端的消息當(dāng)消息讀取完成，將它轉(zhuǎn)化為消息對象放至在SET的接收消息隊列，然后返回獲取下一個消息。

在SET內(nèi)部，有一個工作goroutine，它只做非常簡單而高效的事情，它做的事情如下，檢查SET的接受消息，它會收到3類消息

1. 客戶端的搖紅包請求消息

2. 客戶端的其他消息 比如聊天 好友這一類

3. 服務(wù)器端對客戶端消息的回應(yīng)

對于第1種消息客戶端的搖紅包請求消息 是這樣處理的，從客戶端拿到搖紅包請求消息，試圖從SET的紅包隊列里 獲取一個紅包

如果拿到了就把紅包信息 返回給客戶端，否則構(gòu)造一個沒有搖到的消息，返回給對應(yīng)的客戶端。

對于第2種消息客戶端的其他消息 比如聊天 好友這一類，只需簡單地從隊列里拿走消息，轉(zhuǎn)發(fā)給后端的聊天服務(wù)隊列即可，其他服務(wù)會把消息轉(zhuǎn)發(fā)出去。

對于第3種消息服務(wù)器端對客戶端消息的回應(yīng)。SET 只需要根據(jù)消息里的用戶id，找到SET里保留的用戶連接對象，發(fā)回去就可以了。

對于紅包產(chǎn)生服務(wù)，它的工作很簡單，只需要按照順序在輪流在每個SET的紅包產(chǎn)生對列里放至紅包對象就可以了。這樣可以保證每個SET里都是公平的，其次它的工作強(qiáng)度很低，可以保證業(yè)務(wù)穩(wěn)定。

見代碼：

https://github.com/xiaojiaqi/10billionhongbaos

7. 實(shí)踐

實(shí)踐的過程分為3個階段

階段1

分別啟動服務(wù)器端和監(jiān)控端，然后逐一啟動17臺客戶端，讓它們建立起100萬的鏈接。

在服務(wù)器端，利用ss 命令 統(tǒng)計出每個客戶端和服務(wù)器建立了多少連接。

命令如下：

Alias ss2=Ss –ant | grep 1025 | grep EST | awk –F: “{print $8}” | sort | uniq –c’

結(jié)果如下：

階段2

利用客戶端的http接口，將所有的客戶端QPS 調(diào)整到3萬，讓客戶端發(fā)出3W QPS強(qiáng)度的請求。

運(yùn)行如下命令：

觀察網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和監(jiān)控端反饋，發(fā)現(xiàn)QPS 達(dá)到預(yù)期數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控截圖：

在服務(wù)器端啟動一個產(chǎn)生紅包的服務(wù)，這個服務(wù)會以200個每秒的速度下發(fā)紅包，總共4萬個。

此時觀察客戶端在監(jiān)控上的日志，會發(fā)現(xiàn)基本上以200個每秒的速度獲取到紅包。

等到所有紅包下發(fā)完成后，再啟動一個發(fā)紅包的服務(wù)，這個服務(wù)系統(tǒng)會生成2萬個紅包，每秒也是200個，每個紅包隨機(jī)指定3位用戶，并向這3個用戶發(fā)出消息，客戶端會自動來拿紅包，最后所有的紅包都被拿走。

階段3

利用客戶端的http接口，將所有的客戶端QPS 調(diào)整到6萬，讓客戶端發(fā)出6W QPS強(qiáng)度的請求。

如法炮制，在服務(wù)器端，啟動一個產(chǎn)生紅包的服務(wù)，這個服務(wù)會以200個每秒的速度下發(fā)紅包。總共4萬個。

此時觀察客戶端在監(jiān)控上的日志，會發(fā)現(xiàn)基本上以200個每秒的速度獲取到紅包。

等到所有紅包下發(fā)完成后，再啟動一個發(fā)紅包的服務(wù)，這個服務(wù)系統(tǒng)會生成2萬個紅包，每秒也是200個，每個紅包隨機(jī)指定3位用戶，并向這3個用戶發(fā)出消息，客戶端會自動來拿紅包，最后所有的紅包都被拿走。

最后，實(shí)踐完成。

8. 分析數(shù)據(jù)

在實(shí)踐過程中，服務(wù)器和客戶端都將自己內(nèi)部的計數(shù)器記錄發(fā)往監(jiān)控端，成為了日志。

我們利用簡單python 腳本和gnuplt 繪圖工具，將實(shí)踐的過程可視化，由此來驗(yàn)證運(yùn)行過程。

第一張是客戶端的QPS發(fā)送數(shù)據(jù)：

這張圖的橫坐標(biāo)是時間，單位是秒，縱坐標(biāo)是QPS，表示這時刻所有客戶端發(fā)送的請求的QPS。

圖的第一區(qū)間，幾個小的峰值，是100萬客戶端建立連接的， 圖的第二區(qū)間是3萬QPS 區(qū)間，我們可以看到數(shù)據(jù) 比較穩(wěn)定的保持在3萬這個區(qū)間。

最后是6萬QPS區(qū)間。但是從整張圖可以看到QPS不是完美地保持在我們希望的直線上。這主要是以下幾個原因造成的

1. 當(dāng)非常多goroutine 同時運(yùn)行的時候，依靠sleep 定時并不準(zhǔn)確，發(fā)生了偏移。我覺得這是golang本身調(diào)度導(dǎo)致的。當(dāng)然如果cpu比較強(qiáng)勁，這個現(xiàn)象會消失。

2. 因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的影響，客戶端在發(fā)起連接時，可能發(fā)生延遲，導(dǎo)致在前1秒沒有完成連接。

3. 服務(wù)器負(fù)載較大時，1000M網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)了丟包現(xiàn)象，可以通過ifconfig 命令觀察到這個現(xiàn)象，所以會有QPS的波動。

第二張是 服務(wù)器處理的QPS圖：

和客戶端的向?qū)?yīng)的，服務(wù)器也存在3個區(qū)間，和客戶端的情況很接近。

但是我們看到了在大概22：57分，系統(tǒng)的處理能力就有一個明顯的下降，隨后又提高的尖狀。這說明代碼還需要優(yōu)化。

整體觀察在3萬QPS區(qū)間，服務(wù)器的QPS比較穩(wěn)定，在6萬QSP時候，服務(wù)器的處理就不穩(wěn)定了。我相信這和我的代碼有關(guān)，如果繼續(xù)優(yōu)化的話，還應(yīng)該能有更好的效果。

將2張圖合并起來 ：

基本是吻合的，這也證明系統(tǒng)是符合預(yù)期設(shè)計的。

這是紅包生成數(shù)量的狀態(tài)變化圖：

非常的穩(wěn)定。

這是客戶端每秒獲取的搖紅包狀態(tài)：

可以發(fā)現(xiàn)3萬QPS區(qū)間，客戶端每秒獲取的紅包數(shù)基本在200左右，在6萬QPS的時候，以及出現(xiàn)劇烈的抖動，不能保證在200這個數(shù)值了。

我覺得主要是6萬QPS時候，網(wǎng)絡(luò)的抖動加劇了，造成了紅包數(shù)目也在抖動。

最后是golang 自帶的pprof 信息，其中有g(shù)c 時間超過了10ms, 考慮到這是一個7年前的硬件，而且非獨(dú)占模式，所以還是可以接受。

總結(jié)

按照設(shè)計目標(biāo)，我們模擬和設(shè)計了一個支持100萬用戶，并且每秒至少可以支持3萬QPS，最多6萬QPS的系統(tǒng)，簡單模擬了微信的搖紅包和發(fā)紅包的過程?？梢哉f達(dá)到了預(yù)期的目的。

如果600臺主機(jī)每臺主機(jī)可以支持6萬QPS，只需要7分鐘就可以完成 100億次搖紅包請求。

雖然這個原型簡單地完成了預(yù)設(shè)的業(yè)務(wù)，但是它和真正的服務(wù)會有哪些差別呢？我羅列了一下

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