构建亿级前端读服务

作者：张开涛

从入职京东到现在，做读服务已经一年多的时间了，经历了各种亿级到百亿级的读服务；这段时间也进行了一些新的读服务架构尝试，从架构到代码的编写，各个环节都进行了反复尝试，压测并进行调优，希望得到一个自己满意的读服务架构。

一些设计原则

• 无状态
• 数据闭环
• 缓存银弹
• 并发化
• 降级开关
• 限流
• 切流量
• 其他

无状态

如果设计的应用是无状态的，那么应用就可以水平扩展，当然实际生产环境可能是这样子的： 应用无状态，配置文件有状态。比如不同的机房需要读取不同的数据源，此时就需要通过配置文件指定。

数据闭环

如果依赖的数据来源特别多，此时就可以考虑使用数据闭环，基本步骤：

1、数据异构：通过如MQ机制接收数据变更，然后原子化存储到合适的存储引擎，如redis或持久化KV存储；

2、数据聚合：这步是可选的，数据异构的目的是把数据从多个数据源拿过来，数据聚合目的是把这些数据做个聚合，这样前端就可以一个调用拿到所有数据，此步骤一般存储到KV存储中；

3、前端展示：前端通过一次或少量几次调用拿到所需要的数据。

这种方式的好处就是数据的闭环，任何依赖系统出问题了，还是能正常工作，只是更新会有积压，但是不影响前端展示。

另外此处如果一次需要多个数据，可以考虑使用Hash Tag机制将相关的数据聚合到一个实例，如在展示商品详情页时需要：商品基本信息：p:123:， 商品规格参数：d:123:，此时就可以使用冒号中间的123作为数据分片key，这样相同id的商品相关数据就在一个实例。

缓存银弹

缓存对于读服务来说可谓抗流量的银弹。

浏览器端缓存

设置请求的过期时间，如响应头Expires、Cache-control进行控制。这种机制适用于如对实时性不太敏感的数据，如商品详情页框架、商家评分、评价、广告词等；但对于如价格、库存等实时要求比较高的，就不能做浏览器端缓存。

CDN缓存

有些页面/活动页/图片等服务可以考虑将页面/活动页/图片推送到离用户最近的CDN节点让用户能在离他最近的节点找到想要的数据。一般有两种机制：推送机制（当内容变更后主动推送到CDN边缘节点），拉取机制（先访问边缘节点，当没有内容时回源到源服务器拿到内容并存储到节点上），两种方式各有利弊。 使用CDN时要考虑URL的设计，比如URL中不能有随机数，否则每次都穿透CDN，回源到源服务器，相当于CDN没有任何效果。对于爬虫可以返回过期数据而选择不回源。

接入层缓存

对于没有CDN缓存的应用来说，可以考虑使用如Nginx搭建一层接入层，该接入层可以考虑如下机制实现：

1、URL重写：将URL按照指定的顺序或者格式重写，去除随机数；

2、一致性哈希：按照指定的参数（如分类/商品编号）做一致性Hash，从而保证相同数据落到一台服务器上；

3、proxy_cache：使用内存级/SSD级代理缓存来缓存内容；

4、proxy_cache_lock：使用lock机制，将多个回源合并为一个，减少回源量，并设置相应的lock超时时间；

5、shared_dict：此处如果架构使用了nginx+lua实现，可以考虑使用lua shared_dict进行cache，最大的好处就是reload缓存不丢失。

此处要注意，对于托底/异常数据不应该让其缓存，否则用户会在很长一段时间看到这些数据。

应用层缓存

如我们使用Tomcat时可以使用堆内缓存/堆外缓存，堆内缓存的最大问题就是重启时内存中的缓存丢失，如果此时流量风暴来临可能冲垮应用；还可以考虑使用local redis cache来代替堆外内存；或者在接入层使用shared_dict来将缓存前置，减少风暴。

分布式缓存

一种机制就是废弃分布式缓存，改成应用local redis cache，即在应用所在服务器中部署一个redis，然后使用主从机制同步数据。如果数据量不大这种架构是最优的；如果数据量太大，单服务器存储不了，还可以考虑分片机制将流量分散到多台；或者直接就是分布式缓存实现。常见的分片规则就是一致性哈希了。

如上图就是我们一个应用的架构：

1、首先接入层读取本地proxy cache / local cache；

2、如果不命中，会读取分布式redis集群；

3、如果还不命中，会回源到tomcat，然后读取堆内cache；如果没有，则直接调用依赖业务获取数据；然后异步化写到redis集群；

因为我们使用了nginx+lua，第二、三步可以使用lua-resty-lock非阻塞锁减少峰值时的回源量；如果你的服务是用户维度的，这种非阻塞锁不会有什么大作用。

并发化

假设一个读服务是需要如下数据：

1、数据A  10ms

2、数据B  15ms

3、数据C   20ms

4、数据D   5ms

5、数据E   10ms

那么如果串行获取那么需要：60ms；

而如果数据C依赖数据A和数据B、数据D谁也不依赖、数据E依赖数据C；那么我们可以这样子来获取数据：

那么如果并发化获取那么需要：30ms；能提升一倍的性能。

假设数据E还依赖数据F(5ms)，而数据F是在数据E服务中获取的，此时就可以考虑在此服务中在取数据A/B/D时预取数据F，那么整体性能就变为了：25ms。

降级开关

对于一个读服务，很重要的一个设计就是降级开关，在设计降级开关时主要如下思路：

1、开关集中化管理：通过推送机制把开关推送到各个应用；

2、可降级的多级读服务：比如只读本地缓存、只读分布式缓存、或者只读一个默认的降级数据；

3、开关前置化：如架构是nginx—>tomcat，可以将开关前置到nginx接入层，在nginx层做开关，请求不打到后端应用。

限流

目的是防止恶意流量，恶意攻击，可以考虑如下思路：

1、恶意流量只访问cache；

2、对于穿透到后端应用的可以考虑使用nginx的limit模块处理；

3、对于恶意ip可以使用如nginx deny进行屏蔽。

大部分时候是不进行接入层限流的，而是限制流量穿透到后端薄弱的应用层。

切流量

对于一个大型应用，切流量是非常重要的，比如多机房有机房挂了、或者有机架挂了、或者有服务器挂了等都需要切流量，可以使用如下手段进行切换：

1、DNS：切换机房入口；

2、LVS/HaProxy：切换故障的nginx接入层；

3、Nginx：切换故障的应用层；

另外我们有些应用为了更方便切换，还可以在nginx接入层做切换，通过nginx进行一些流量切换，而没有通过如LVS/HaProxy做切换。

其他

不需要cookie的应用使用无状态域名，如3.cn；

接入层请求头过滤，只转发有用的请求头到后端应用；

数据过滤逻辑前置，比如在接入层进行请求参数的合法性过滤；

内网设置合理的连接、读、写超时时间；

根据需要开启gzip压缩减少流量；

使用unix domain socket减少本机连接数；

内网考虑使用http长连接；

响应请求时，考虑响应头加上服务器ip等信息，方便调试。

我们处理的读服务大部分都是KV的，因此抗流量的思路就是大量缓存；而且怎么让缓存怎么更接近用户，离用户越近速度就越快。再一个点就是要考虑好降级方案，在异常情况下应用不被拖垮拖死。我们系统大量使用了如nginx+lua+redis技术，使用这些技术解决了我们很多读服务问题。

原文来自 http://jinnianshilongnian.iteye.com/blog/2232271。