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learn.lianglianglee.com/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/34 如何为海量计数场景设计缓存体系？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>34 如何为海量计数场景设计缓存体系？</h1>
<p>在上一课时我们讲解了如何为秒杀系统进行缓存设计，在本课时我们将具体讲解如何为海量计数场景设计缓存服务。</p>
<h2>计数常规方案</h2>
<p><img src="assets/CgpOIF4EfGeAMy7uAACOifnCjYI046.png" alt="img" /></p>
<p>计数服务在互联网系统中非常常见，用户的关注粉丝数、帖子数、评论数等都需要进行计数存储。计数的存储格式也很简单，key 一般是用户 uid 或者帖子 id 加上后缀，value 一般是 8 字节的 long 型整数。</p>
<p>最常见的计数方案是采用缓存 + DB 的存储方案。当计数变更时，先变更计数 DB，计数加 1，然后再变更计数缓存，修改计数存储的 Memcached 或 Redis。这种方案比较通用且成熟，但在高并发访问场景，支持不够友好。在互联网社交系统中，有些业务的计数变更特别频繁，比如微博 feed 的阅读数，计数的变更次数和访问次数相当，每秒十万到百万级以上的更新量，如果用 DB 存储，会给 DB 带来巨大的压力，DB 就会成为整个计数服务的瓶颈所在。即便采用聚合延迟更新 DB 的方案，由于总量特别大，同时请求均衡分散在大量不同的业务端，巨大的写压力仍然是 DB 的不可承受之重。因此这种方案只适合中小规模的计数服务使用。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl4EfKKATQvhAAB_y6G_3Y0242.png" alt="img" /></p>
<p>在 Redis 问世并越来越成熟后，很多互联网系统会直接把计数全部存储在 Redis 中。通过 hash 分拆的方式，可以大幅提升计数服务在 Redis 集群的写性能，通过主从复制，在 master 后挂载多个从库，利用读写分离，可以大幅提升计数服务在 Redis 集群的读性能。而且 Redis 有持久化机制，不会丢数据，在很多大中型互联网场景，这都是一个比较适合的计数服务方案。</p>
<p>在互联网移动社交领域，由于用户基数巨大，每日发表大量状态数据，且相互之间有大量的交互动作，从而产生了海量计数和超高并发访问，如果直接用 Redis 进行存储，会带来巨大的成本和性能问题。</p>
<h2>海量计数场景</h2>
<p>以微博为例，系统内有大量的待计数对象。如从用户维度，日活跃用户 2 亿+，月活跃用户接近 5 亿。从 Feed 维度，微博历史 Feed 有数千亿条，而且每日新增数亿条的新 Feed。这些用户和 Feed 不但需要进行计数，而且需要进行多个计数。比如，用户维度，每个用户需要记录关注数、粉丝数、发表 Feed 数等。而从 Feed 维度，每条 Feed 需要记录转发数、评论数、赞、阅读等计数。</p>
<p>而且，在微博业务场景下，每次请求都会请求多个对象的多个计数。比如查看用户时，除了获取该用户的基本信息，还需要同时获取用户的关注数、粉丝数、发表 Feed 数。获取微博列表时，除了获取 Feed 内容，还需要同时获取 Feed 的转发数、评论数、赞数，以及阅读数。因此，微博计数服务的总访问量特别大，很容易达到百万级以上的 QPS。</p>
<p>因此，在海量计数高并发访问场景，如果采用缓存 + DB 的架构，首先 DB 在计数更新就会存在瓶颈，其次，单个请求一次请求数十个计数，一旦缓存 miss，穿透到 DB，DB 的读也会成为瓶颈。因为 DB 能支撑的 TPS 不过 3000~6000 之间，远远无法满足高并发计数访问场景的需要。</p>
<p>采用 Redis 全量存储方案，通过分片和主从复制，读写性能不会成为主要问题，但容量成本却会带来巨大开销。</p>
<p>因为，一方面 Redis 作为通用型存储来存储计数，内存存储效率低。以存储一个 key 为 long 型 id、value 为 4 字节的计数为例，Redis 至少需要 65 个字节左右，不同版本略有差异。但这个计数理论只需要占用 12 个字节即可。内存有效负荷只有 12/65=18.5%。如果再考虑一个 long 型 id 需要存 4 个不同类型的 4 字节计数，内存有效负荷只有 (8+16)/(65*4)= 9.2%。</p>
<p>另一方面，Redis 所有数据均存在内存，单存储历史千亿级记录，单份数据拷贝需要 10T 以上，要考虑核心业务上 1 主 3 从，需要 40T 以上的内存，再考虑多 IDC 部署，轻松占用上百 T 内存。就按单机 100G 内存来算，计数服务就要占用上千台大内存服务器。存储成本太高。</p>
<h2>海量计数服务架构</h2>
<p><img src="assets/Cgq2xl4EfNaAVYSOAACwXN0Zx5E804.png" alt="img" /></p>
<p>为了解决海量计数的存储及访问的问题，微博基于 Redis 定制开发了计数服务系统，该计数服务兼容 Redis 协议，将所有数据分别存储在内存和磁盘 2 个区域。首先，内存会预分配 N 块大小相同的 Table 空间，线上一般每个 Table 占用 1G 字节，最大分配 10 个左右的 Table 空间。首先使用 Table0，当存储填充率超过阀值，就使用 Table1，依次类推。每个 Table 中，key 是微博 id，value 是自定义的多个计数。</p>
<p>微博的 id 按时间递增，因此每个内存 Table 只用存储一定范围内的 id 即可。内存 Table 预先按设置分配为相同 size 大小的 key-value 槽空间。每插入一个新 key，就占用一个槽空间，当槽位填充率超过阀值，就滚动使用下一个 Table，当所有预分配的 Table 使用完毕，还可以根据配置，继续从内存分配更多新的 Table 空间。当内存占用达到阀值，就会把内存中 id 范围最小的 Table 落盘到 SSD 磁盘。落盘的 Table 文件称为 DDB。每个内存 Table 对应落盘为 1 个 DDB 文件。</p>
<p>计数服务会将落盘 DDB 文件的索引记录在内存，这样当查询需要从内存穿透到磁盘时，可以直接定位到磁盘文件，加快查询速度。</p>
<p>计数服务可以设置 Schema 策略，使一个 key 的 value 对应存储多个计数。每个计数占用空间根据 Schema 确定，可以精确到 bit。key 中的各个计数，设置了最大存储空间，所以只能支持有限范围内的计数。如果计数超过设置的阀值，则需要将这个 key 从 Table 中删除，转储到 aux dict 辅助词典中。</p>
<p>同时每个 Table 负责一定范围的 id，由于微博 id 随时间增长，而非逐一递增，Table 滚动是按照填充率达到阀值来进行的。当系统发生异常时，或者不同区域网络长时间断开重连后，在老数据修复期间，可能在之前的 Table 中插入较多的计数 key。如果旧 Table 插入数据量过大，超过容量限制，或者持续搜索存储位置而不得，查找次数超过阀值，则将新 key 插入到 extend dict 扩展词典中。</p>
<p>微博中的 feed 一般具有明显的冷热区分，并且越新的 feed 越热，访问量越大，越久远的 feed 越冷。新的热 key 存放内存 Table，老的冷 key 随所在的 Table 被置换到 DDB 文件。当查询 DDB 文件中的冷 key 时，会采用多线程异步并行查询，基本不影响业务的正常访问。同时，这些冷 key 从 DDB 中查询后，会被存放到 LRU 中，从而方便后续的再次访问。</p>
<p>计数服务的内存数据快照仍然采用前面讲的 RDB + 滚动 AOF 策略。RDB 记录构建时刻对应的 AOF 文件 id 及 pos 位置。全量复制时，master 会将磁盘中的 DDB 文件，以及内存数据快照对应的 RDB 和 AOF 全部传送给 slave。</p>
<p>在之后的所有复制就是全增量复制，slave 在断开连接，再次重连 master 时，汇报自己同步的 AOF 文件 id 及位置，master 将对应文件位置之后的内容全部发送给 slave，即可完成同步。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF4EfUeALwp6AACe1xvi1Sc311.png" alt="img" /></p>
<p>计数服务中的内存 Table 是一个一维开放数据，每个 key-value 按照 Schema 策略占用相同的内存。每个 key-value 内部，key 和多个计数紧凑部署。首先 8 字节放置 long 型 key，然后按Schema 设置依次存放各个计数。</p>
<p>key 在插入及查询时，流程如下。</p>
<p>首先根据所有 Table 的 id 范围，确定 key 所在的内存 Table。</p>
<p>然后再根据 double-hash 算法计算 hash，用 2 个 hash 函数分别计算出 2 个 hash 值，采用公示 h1+N*h2 来定位查找。</p>
<p>在对计数插入或变更时，如果查询位置为空，则立即作为新值插入 key/value，否则对比 key，如果 key 相同，则进行计数增减；如果 key 不同，则将 N 加 1，然后进入到下一个位置，继续进行前面的判断。如果查询的位置一直不为空，且 key 不同，则最多查询设置的阀值次数，如果仍然没查到，则不再进行查询。将该 key 记录到 extend dict 扩展词典中。</p>
<p>在对计数 key 查找时，如果查询的位置为空，说明 key 不存在，立即停止。如果 key 相同，返回计数，否则 N 加 1，继续向后查询，如果查询达到阀值次数，没有遇到空，且 key 不同，再查询 aux dict 辅助字典 和 extend dict 扩展字典，如果也没找到该 key，则说明该 key 不存在，即计数为 0。</p>
<h2>海量计数服务收益</h2>
<p>微博计数服务，多个计数按 Schema 进行紧凑存储，共享同一个 key，每个计数的 size 按 bit 设计大小，没有额外的指针开销，内存占用只有 Redis 的 10% 以下。同时，由于 key 的计数 size 固定，如果计数超过阀值，则独立存储 aux dict 辅助字典中。</p>
<p>同时由于一个 key 存储多个计数，同时这些计数一般都需要返回，这样一次查询即可同时获取多个计数，查询性能相比每个计数独立存储的方式提升 3~5 倍。</p>
</div>
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