【京东】随机高并发查询结果一致性设计实践

2023-08-18 770点热度 0人点赞 0条评论

Tech

导读

面对高并发调用的调用场景，针对不同的业务场景，处理方式往往各有不同，本文针对实际的业务场景，通过实际业务场景分析，调用量分析，最终采用合理的技术方案，完成实际的业务场景。

前言

在今年的敏捷团队建设中，我通过Suite执行器实现了一键自动化单元测试。Juint除了Suite执行器还有哪些执行器呢？由此我的Runner探索之旅开始了！

物流合约中心是京东物流合同管理的唯一入口。为商家提供合同的创建，盖章等能力，为不同业务条线提供合同的定制，归档，查询等功能。由于各个业务条线众多，为各个业务条线提供高可用查询能力是物流合约中心重中之重。同时计费系统在每个物流单结算时，都需要查询合约中心，确保商家签署的合同内容来保证计费的准确性。

业务场景

理解，首先 MCube 会依据模板缓存状态判断是否需要网络获取最新模板，当获取到模板后进行模板加载，加载阶段会将产物转换为视图树的结构，转换完成后将通过表达式引擎解析表达式并取得正确的值，通过事件解析引擎解析用户自定义事件并完成事件的绑定，完成解析赋值以及事件绑定后进行视图的渲染，最终将目标页面展示到屏幕。

2.1 查询维度分析

从业务调用的来源来看，合同的调用大部分是计费系统在每个物流单计费的时候，需要调用合约中心来判断，该商家是否签署合同。

图1.业务调用来源

从业务调用的入参来看，绝大部分是多个条件来查询合同，但基本都是查询某个商家，或通过商家的某个属性（例如业务账号）来查询合同。

从调用的结果来看，40%的查询是没有结果的，其中绝大部分是因为商家没有签署过合同，导致查询为空。其余的查询结果，每次返回的数量较少，一般一个商家只有3到5个合同。

2.2 调用量分析

调用量

目前合同的调用量，大概是在每天2000W次。

一天的调用量统计：

图2.一天的调用量统计

调用时间

每天高峰期为上班时间，最高峰为4W/min。

一个月的调用量统计：

图3.一个月的调用量统计

由上可以看出，合同每日的调用量比较平均，主要集中在9点到12点和13点到18点，也就是上班时间，整体调用量较高，基本不存在调用暴增的情况。

总体分析来看，合约中心的查询，调用量较高，且较平均，基本都是随机查询，也并不存在热点数据，其中无效查询占比较多，每次查询条件较多，返回数据量比不大。

方案设计

从整体业务场景分析来看，决定做三层防护来保证调用量的支撑，同时需要对数据一致性做好处理。第一层是布隆过滤器，来拦截绝大部分无效的请求。第二层是redis缓存数据，来保证各种查询条件的查询尽量命中redis。第三层是直接查询数据库的兜底方案。同时再保证数据一致性的问题，借助于广播mq来实现。

图4.三层防护示意

3.1 第一层防护

由于近一半的查询都是空，首先想到这是缓存穿透的现象。

缓存穿透问题

缓存穿透（cache penetration）是用户访问的数据既不在缓存当中，也不在数据库中。出于容错的考虑，如果从底层数据库查询不到数据，则不写入缓存。这就导致每次请求都会到底层数据库进行查询，缓存也失去了意义。当高并发或有人利用不存在的Key频繁攻击时，数据库的压力骤增，甚至崩溃，这就是缓存穿透问题。

由于存在缓存穿透问题，首先想到用商家的唯一标识来做布隆过滤器以解决缓存穿透问题。至于布隆过滤器是由一个长度为 M 比特的位数组（bit array）与 K 个哈希函数（hash function）组成的数据结构。布隆过滤器主要用于用于检索一个元素是否在一个集合中，原理不再阐述。

图5.布隆过滤器示意

只是分析布隆过滤器的优缺点

优点

不需要存储数据，只用比特表示，因此在空间占用率上有巨大的优势
检索效率高，插入和查询的时间复杂度都为 O(K)（K 表示哈希函数的个数）
哈希函数之间相互独立，可以在硬件指令层次并行计算，因此效率较高。

缺点：

存在不确定的因素，无法判断一个元素是否一定存在，所以不适合要求 100% 准确率的场景。
只能插入和查询元素，不能删除元素。

布隆过滤器分析：面对优点，完全符合诉求，针对缺点1，会有极少的数据穿透对系统来说并无压力。针对缺点2，合同的数据，本来就是不可删除的。如果合同过期，可以查出单个商家的所有合同，从合同的结束时间来判断合同是否有效，并不需要去删除布隆过滤器里的元素。

考虑到调用redis布隆过滤器，会走一次网络，而查询近一半都是无效查询，故决定使用本地布隆过滤器，这样就可以减少一次网络请求。但是如果是本地布隆过滤器，在更新时，就需要对所有机器的本地布隆过滤器更新。监听合同的状态来更新，通过mq的广播模式，来对布隆过滤器插入元素，这样就做到了所有机器上的布隆过滤器统一元素插入。

3.2 第二层防护

面对高并发，首先想到的是缓存。

引入缓存，就要考虑缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩的三大问题。

其中缓存穿透，已在第一层防护中处理，这里只解决缓存击穿，缓存雪崩的问题。

缓存击穿（Cache Breakdown）缓存雪崩是指只大量热点key同时失效的情况，如果是单个热点key，在不停的扛着大并发，在这个key失效的瞬间，持续的大并发请求就会击破缓存，直接请求到数据库，好像蛮力击穿一样。这种情况就是缓存击穿。

解决方案：使用分布式锁，针对同一个商家，只让一个线程构建缓存，其他线程等待构建缓存执行完毕，重新从缓存中获取数据。

缓存雪崩（Cache Avalanche）当缓存中大量热点缓存采用了相同的实效时间，就会导致缓存在某一个时刻同时实效，请求全部转发到数据库，从而导致数据库压力骤增，甚至宕机。从而形成一系列的连锁反应，造成系统崩溃等情况，这就是缓存雪崩。

解决方案：缓存雪崩的解决方案是将key的过期设置为固定时间范围内的一个随机数，让key均匀的失效即可。

引入缓存，就要考虑缓存数据激增及缓存淘汰策略的问题。

考虑使用redis缓存，因为每次查询的条件都不一样，返回的结果数据又比较少，就考虑限制查询都必须有一个固定的查询条件，商家编码。如果查询条件中没有查商家编码，则可以通过商家名称，商家业务账号这些条件来反查商家编码。

这样就可以缓存单个商家编码的所有合同，然后再通过代码使用filter对其他查询条件做支持，避免不同的查询条件都去缓存数据而引发的缓存数据更新、缓存数据淘汰以及缓存数据一致等问题。

同时只缓存单个商家编码的所有合同，缓存的数据量也是可控，每个缓存的大小也可控，基本不会出现redis大key的问题。