海量请求下的接口并发解决方案

骑猪看日落 2023-09-26 16:52 10阅读 0赞

设定一个场景，假如一个商品接口在某段时间突然上升，会怎么办？

> 生活中的例子来说，假设冰墩墩在当天晚上上热搜之后，迅速有十几万人去淘宝下单购买，此时并没有做好对该商品的缓存预热以及准备，如何操作？

对于这个问题，在电商高并发系统中，对接口的保护一般采用：**缓存、限流、降级** 来操作。

假设该接口已经接受过风控的处理，过滤掉一半的机器人脚本请求，剩下都是人为的下单请求。

### 服务限流 ###

限流 主要的目的是通过对并发访问/请求进行限速，或者对一个时间窗口内的请求进行限速，一旦达到限制速率则可以拒绝服务、排队或等待、降级等处理。

#### 限流算法 ####

1. 漏斗算法

漏桶算法 是当请求到达时直接放入漏桶，如果当前容量已达到上限（限流值），则进行丢弃或其他策略（触发限流策略）。漏桶以固定的速率（根据服务吞吐量）进行释放访问请求（即请求通过），直到漏桶为空。

漏斗算法的思想就是，不管你来多少请求，我的接口消费速度一定是小于等于流出速率的阈值的。

可以基于消息队列来实现。

2. 令牌桶算法

令牌桶算法 是程序以v（`v = 时间周期 / 限流值`）的速度向令牌桶中增加令牌，直到令牌桶满，请求到达时向令牌桶请求令牌，如果获取成功则通过请求，如果获取失败触发限流策略。

令牌桶算法和漏斗算法的思想差别在于，前者可以允许突发请求的发生。

3. 滑窗算法

滑窗算法 是将一个时间周期分为N个小周期，分别记录每个小周期内访问次数，并且根据时间滑动删除过期的小周期。

如下图所示，假设时间周期为1分钟，将1分钟再分为2个小周期，统计每个小周期的访问数量，则可以看到，第一个时间周期内，访问数量为75，第二个时间周期内，访问数量为100，如果一个时间周期内所有的小周期总和超过100的话，则会触发限流策略。

Sentinel的实现 和 TCP滑窗。

#### 接入层限流 ####

Nginx限流

Nginx 限流采用的是漏桶算法。

它可以根据客户端特征，限制其访问频率，客户端特征主要指 IP、UserAgent等。使用 IP 比 UserAgent 更可靠，因为 IP 无法造假，UserAgent 可随意伪造。

limit\_req模块基于IP：

> http://nginx.org/en/docs/http/ngx\_http\_limit\_req\_module.html

tgngine：

> http://tengine.taobao.org/document\_cn/http\_limit\_req\_cn.html

#### 本地接口限流 ####

Semaphore

Java 并发库 的 Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore 可以控制某个资源可被同时访问的个数，通过 `acquire()` 获取一个许可，如果没有就等待，而 `release()` 释放一个许可。

假如我们对外提供一个服务接口，允许最大并发数为40，我们可以这样：

private final Semaphore permit = new Semaphore(40, true);
    
    public void process(){
    
        try{
            permit.acquire();
            //TODO 处理业务逻辑
    
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            permit.release();
        }
    }

具体的 Semaphore 实现参考源码。

#### 分布式接口限流 ####

使用消息队列

不管是用MQ中间件，或是Redis的List实现的消息队列，都可以作为一个 缓冲队列 来使用。思想就是基于漏斗算法。

当对于一个接口请求达到一定阈值时，就可以启用消息队列来进行接口数据的缓冲，并根据服务的吞吐量来消费数据。

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### 服务降级 ###

在接口做好风控的前提下，发现了接口请求的并发量迅速上升，我们可以启用兜底方案，进行服务降级。

一般服务降级应该用来对一些 不重要 或 不紧急 的服务或任务进行服务的 延迟使用 或 暂停使用。

#### 降级方案 ####

停止边缘业务

比如淘宝双11前，就不可以查询三个月前的订单，对边缘业务进行降级，保证核心业务的高可用。

拒绝请求

在接口请求并发量大于阈值，或是接口出现大量失败请求等等突发情况，可以拒绝一些访问请求。

拒绝策略

*  随机拒绝：随机拒绝超过阈值的请求 。
 *  拒绝旧请求：按照请求的时间，优先拒绝更早收到的请求。
 *  拒绝非核心请求：根据系统业务设置核心请求清单，将非核心清单内的请求拒绝掉。

恢复方案

在实现服务降级之后，对于突增流量我们可以继续注册多个消费者服务来应对并发量，之后我们再对一些服务器进行慢加载。

降级具体实现参考其他文章。

### 数据缓存 ###

在接口做好风控的前提下，发现了接口请求的并发量迅速上升，我们可以分以下几个操作执行：

*  对访问请求使用分布式锁进行阻塞。
 *  在这个短时间中，我们可以将对应操作行的热点数据，缓存在缓存中间件中。
 *  放行请求后，让所有请求优先操作缓存数据。
 *  再将操作的结果通过消息队列发送给消费接口慢慢消费。

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#### 缓存问题 ####

假设我们操作的是一个库存接口，此时数据库中只有100个库存。

那假如此时我们将一条数据放入缓存中，如果所有的请求都来访问这个缓存，那它还是被打挂，我们该怎么操作？

读写分离

第一种想法，读写分离。

使用Redis的哨兵集群模式来进行主从复制的读写分离操作。读的操作肯定大于写操作，等库存被消费到0时，读操作直接快速失败。另外，搜索公众号顶级python后台回复“进阶”，获取一份惊喜礼包。

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负载均衡

第二种想法，负载均衡。

在缓存数据后，如果所有请求都来缓存中操作这个库存，不管是加悲观锁还是乐观锁，并发率都很低，此时我们可以对这个库存进行拆分。

我们可以参照 `ConcurrentHashMap` 中的 `counterCells` 变量的设计思想，将100个库存拆分到10个缓存服务中，每个缓存服务有10个缓存，然后我们再对请求进行负载均衡到各个缓存服务上。

但是这种方式会有问题，如果大部分用户被hash到同一个缓存上，导致其他缓存没有被消费，却返回没有库存，这是不合理的。

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page cache

第三种想法，page cache。

大部分软件架构其实都用到了这种方法，比如linux内核的硬盘写入、mysql的刷盘等等，即将短时间内的写操作聚合结果写入，所有的写操作在缓存内完成。

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