随机高并发查询结果一致性设计实践

作者：京东物流 赵帅 姚再毅 王旭东 孟伟杰 孔祥东

1 前言

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。

2 业务场景

1.查询维度分析

从业务调用的来源来看，合同的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。

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.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：

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：

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。

3 方案设计

从整体业务场景分析来看，我们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，我们借助于广播mq来实现。

1.第一层防护

由于近一半的查询都是空，我们首先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频繁使用时，数据库的压力骤增，甚至崩溃，这就是缓存穿透问题。

常规解决方案

缓存特定值

一般对于缓存穿透我们比较常规的做法就是，将不存在的key 设置一个固定值，比如说NULL,&&等等，在查询返回这个值的时候，我们应用就可以认为这是一个不存在的key,那我们应用就可以决定是否继续等待，还是继续访问，还是直接放弃，如果继续等待访问的话，设置一个轮询时间，再次请求，如果取到的值不再是我们预设的，那就代表已经有值了，从而避免了透传到数据库，从而把大量的类似请求挡在了缓存之中。

缓存特定值并同步更新

特定值做了缓存，那就意味着需要更多的内存存储空间。当存储层数据变化了，缓存层与存储层的数据会不一致。有人会说，这个问题，给key 加上一个过期时间不就可以了，确实，这样是最简单的，也能在一定程度上解决这两个问题，但是当并发比较高的时候（缓存并发），其实我是不建议使用缓存过期这个策略的，我更希望缓存一直存在；通过后台系统来更新缓存中的数据一致性的目的。

布隆过滤器

布隆过滤器的核心思想是这样的，它不保存实际的数据，而是在内存中建立一个定长的位图用0,1来标记对应数据是否存在系统；过程是将数据经过多个哈希函数计算出不同的哈希值，然后用哈希值对位图的长度进行取模，最后得到位图的下标位，然后在对应的下标位上进行标记；找数的时候也是一样，先通过多个哈希函数得到哈希值，然后哈希值与位图的长度进行取模得到多个下标。如果多个下标都被标记成1了，那么说明数据存在于系统，不过只要有一个下标为0那么就说明该数据肯定不存在于系统中。

在这里先通过一个示例介绍一下布隆过滤器的场景：

以ID查询文章为例，如果我们要知道数据库是否存在对应的文章，那么最简单的方式就是我们把所有数据库存在的ID都保存到缓存去，这个时候当请求过进入系统，先从这个缓存数据里判断系统是否存在对应的数据ID，如果不存在的话直接返回出去，避免请求进入到数据库层，存在的话再从获取文章的信息。但是这个不是最好的方式，因为当文章的数量很多很多的时候，那缓存中就需要存大量的文档id而且只能持续增长，所以我们得想一种方式来节省内存资源当又能是请求都能命中缓存，这个就是布隆过滤器要做的。

我们分析布隆过滤器的优缺点

优点

1.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
2.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）
3.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

1.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
2.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，完全符合我们的诉求，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，我们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，并不需要取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，而我们的查询近一半都是无效查询，我们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，我们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。

2.第二层防护

面对高并发，我们首先想到的是缓存。

引入缓存，我们就要考虑缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩的三大问题。

其中缓存穿透，我们已再第一层防护中处理，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。

常规解决方案

缓存失效分散

这个问题其实比较好解决，就是在设置缓存的时效时间的时候增加一个随机值，例如增加一个1-3分钟的随机，将失效时间分散开，降低集体失效的概率；把过期时间控制在系统低流量的时间段,比如凌晨三四点，避过流量的高峰期。

加锁

加锁，就是在查询请求未命中缓存时，查询数据库操作前进行加锁，加锁后后面的请求就会阻塞，避免了大量的请求集中进入到数据库查询数据了。

永久不失效

我们可以不设置过期时间来保证缓存永远不会失效，然后通过后台的线程来定时把最新的数据同步到缓存里去

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。

我们考虑使用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，我们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，我们可以通过商家名称，商家业务账号这些条件来反查查商家编码。

这样我们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，缓存数据淘汰已经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。

引入缓存，我们就要考虑缓存数据一致性的问题。

有关缓存一致性问题，可自行百度，这个就不在叙述。

如图所示 对于商家编码维度的缓存数据，我们通过监听合同的状态，使用mq广播来删除对应商家的缓存，从而避免出现缓存和数据一致性的相关问题。

3.第三层防护

第三层防护，自然是数据库，如果有查询经过了第一层和第二层，那我们需要直接查询数据库来返回结果，同时，我们对直接调用到数据库的线程进行监控。

为避免一些未知的查询大量查询涌入，导致数据库调用保证的问题，尤其是大促时，我们可以提前对数据库里的所有商家合同进行提前缓存。在缓存时，为避免缓存雪崩问题，我们对将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。

同时，为避免依然存在意外的情况，有大量查询涌入。我们通过ducc开关控制数据库的查询，如调用量太高导致无法支撑，则直接关闭数据库的调用，保证数据库不会直接宕机导致整个业务不可用。

4 总结

本文主要分析了面对高并发调用的调用场景设计及的技术方案，在引入缓存的同时，也要考虑实际的调用入参及结果，面对增加的网络请求，是否可以进一步减少。面对redis缓存，是否可以通过一些手段避免所有查询条件都需要缓存，带来的缓存爆炸，缓存淘汰策略等问题，以及解决缓存与数据一致等一系列问题。

本方案是根据具体的查询业务场景设计具体的技术方案，针对不同的业务场景，对应的技术方案也是不一样的。