抗住100億次請求的實現！

大家還記得今年的春晚么？在春晚中有一個搶紅包的環節。

作為一名程序員，大家有沒有考慮如何設計一個抗住100億請求的紅包系統呢？

說不定，這個會在面試中問到。

阿中偶然看到了《扛住100億次請求——如何做一個“有把握”的春晚紅包系統》一文，看完以后，感慨良多，收益很多。正所謂他山之石，可以攻玉，我看到時已經過去良久，但是其中的思想仍然可以為很多后端設計借鑒。

同時作為一名微信后端工程師，看完以后又會思考，學習了這樣的文章以后，是否能給自己的工作帶來一些實際的經驗呢？所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，能否自己實踐一下100億次紅包請求呢？否則讀完以后腦子里能剩下的東西不過就是100億 1400萬QPS整流這樣的字眼，剩下的文章將展示作者是如何以此過程為目標，在本地環境的模擬了此過程。

實現的目標：單機支持100萬連接，模擬了搖紅包和發紅包過程，單機峰值QPS 6萬，平穩支持了業務。

注：本文以及作者所有內容，僅代表個人理解和實踐，過程和微信團隊沒有任何關系，真正的線上系統也不同，只是從一些技術點進行了實踐，請讀者進行區分。

背景知識

QPS：Queries per second（每秒的請求數目）。

PPS：Packets per second（每秒數據包數目）。

搖紅包：客戶端發出一個搖紅包的請求，如果系統有紅包就會返回，用戶獲得紅包。

發紅包：產生一個紅包里面含有一定金額，紅包指定數個用戶，每個用戶會收到紅包信息，用戶可以發送拆紅包的請求，獲取其中的部分金額。

確定目標

在一切系統開始以前，我們應該搞清楚我們的系統在完成以后，應該有一個什么樣的負載能力。

用戶總數

通過文章我們可以了解到接入服務器 638 臺，服務上限大概是 14.3 億用戶， 所以單機負載的用戶上限大概是 14.3 億/638 臺=228 萬用戶/臺。

但是目前中國肯定不會有 14 億用戶同時在線，參考的說法：

http://qiye.qianzhan.com/show/detail/160818-b8d1c700.html

2016 年 Q2 微信用戶大概是 8 億，月活在 5.4 億左右。所以在 2015 年春節期間，雖然使用的用戶會很多，但是同時在線肯定不到 5.4 億。

服務器數量

一共有 638 臺服務器，按照正常運維設計，我相信所有服務器不會完全上線，會有一定的硬件冗余，來防止突發硬件故障。假設一共有 600 臺接入服務器。

單機需要支持的負載數

每臺服務器支持的用戶數：5.4 億/ 600=90 萬。也就是平均單機支持 90 萬用戶。

如果真實情況比 90 萬更多，則模擬的情況可能會有偏差，但是我認為 QPS 在這個實驗中更重要。

單機峰值 QPS

文章中明確表示為 1400 萬 QPS。這個數值是非常高的，但是因為有 600 臺服務器存在，所以單機的 QPS 為 1400 萬/600=約為 2.3 萬 QPS。

文章曾經提及系統可以支持 4000 萬 QPS，那么系統的 QPS 至少要到 4000 萬/ 600=約為 6.6 萬，這個數值大約是目前的 3 倍，短期來看并不會被觸及。但是我相信應該做過相應的壓力測試。

發放紅包

文中提到系統以 5 萬個每秒的下發速度，那么單機每秒下發速度 50000/600＝83 個/秒，也就是單機系統應該保證每秒以 83 個的速度下發即可。

最后考慮到系統的真實性，還至少有用戶登錄的動作，真實的系統還會包括聊天這樣的服務業務。

最后整體看一下 100 億次搖紅包這個需求，假設它是均勻地發生在春節聯歡晚會的 4 個小時里。

那么服務器的 QPS 應該是 10000000000/600/3600/4.0=1157。也就是單機每秒 1000 多次，這個數值其實并不高。

如果完全由峰值速度 1400 萬消化 10000000000/(1400*10000)=714 秒，也就是說只需要峰值堅持 11 分鐘，就可以完成所有的請求。

可見互聯網產品的一個特點就是峰值非常高，持續時間并不會很長。

總結：從單臺服務器看，它需要滿足下面一些條件。

①支持至少 100 萬連接用戶。

②每秒至少能處理 2.3 萬的 QPS，這里我們把目標定得更高一些 ，分別設定到了 3 萬和 6 萬。

③搖紅包：支持每秒 83 個的速度下發放紅包，也就是說每秒有 2.3 萬次搖紅包的請求，其中 83 個請求能搖到紅包，其余的 2.29 萬次請求會知道自己沒搖到。

當然客戶端在收到紅包以后，也需要確保客戶端和服務器兩邊的紅包數目和紅包內的金額要一致。

因為沒有支付模塊，所以我們也把要求提高一倍，達到 200 個紅包每秒的分發速度。

④支持用戶之間發紅包業務，確保收發兩邊的紅包數目和紅包內金額要一致。同樣也設定 200 個紅包每秒的分發速度為我們的目標。

想要完整地模擬整個系統實在是太難了，首先需要海量的服務器，其次需要上億的模擬客戶端。

這對我來說是辦不到，但是有一點可以確定，整個系統是可以水平擴展的，所以我們可以模擬 100 萬客戶端，再模擬一臺服務器，那么就完成了 1/600 的模擬。

和現有系統區別：和大部分高 QPS 測試的不同，本系統的側重點有所不同。

我對兩者做了一些對比：

基礎軟件和硬件

軟件

Golang 1.8r3，Shell，Python（開發沒有使用 C++ 而是使用了 Golang，是因為使用 Golang 的最初原型達到了系統要求。雖然 Golang 還存在一定的問題，但是和開發效率比，這點損失可以接受）。

服務器操作系統：Ubuntu 12.04。

客戶端操作系統：debian 5.0。

硬件環境

服務端：dell R2950。8 核物理機，非獨占有其他業務在工作，16G 內存。這臺硬件大概是 7 年前的產品，性能要求應該不是很高。

服務器硬件版本：

服務器 CPU 信息：

客戶端：esxi 5.0 虛擬機，配置為 4 核 5G 內存。一共 17 臺，每臺和服務器建立 6 萬個連接，完成 100 萬客戶端模擬。

技術分析和實現

單機實現 100 萬用戶連接

這一點來說相對簡單，筆者在幾年前就早完成了單機百萬用戶的開發以及操作。現代的服務器都可以支持百萬用戶。相關內容可以查看 Github 代碼以及相關文檔、系統配置以及優化文檔。

參考鏈接：

https://github.com/xiaojiaqi/C1000kPracticeGuide
https://github.com/xiaojiaqi/C1000kPracticeGuide/tree/master/docs/cn

3 萬 QPS

這個問題需要分 2 個部分來看客戶端方面和服務器方面。

①客戶端 QPS

因為有 100 萬連接連在服務器上，QPS 為 3 萬。這就意味著每個連接每 33 秒，就需要向服務器發一個搖紅包的請求。

因為單 IP 可以建立的連接數為 6 萬左右，有 17 臺服務器同時模擬客戶端行為。我們要做的就是保證在每一秒都有這么多的請求發往服務器即可。

其中技術要點就是客戶端協同。但是各個客戶端的啟動時間，建立連接的時間都不一致，還存在網絡斷開重連這樣的情況，各個客戶端如何判斷何時自己需要發送請求，各自該發送多少請求呢？

我是這樣解決的：利用 NTP 服務，同步所有的服務器時間，客戶端利用時間戳來判斷自己的此時需要發送多少請求。

算法很容易實現：假設有 100 萬用戶，則用戶 id 為 0-999999。要求的 QPS 為 5 萬，客戶端得知 QPS 為 5 萬，總用戶數為 100 萬，它計算 100 萬/5 萬=20，所有的用戶應該分為 20 組。

如果 time()%20==用戶id%20，那么這個 id 的用戶就該在這一秒發出請求，如此實現了多客戶端協同工作。每個客戶端只需要知道總用戶數和 QPS 就能自行準確發出請求了。

擴展思考：如果 QPS 是 3 萬這樣不能被整除的數目，該如何做？如何保證每臺客戶端發出的請求數目盡量的均衡呢？

②服務器 QPS

服務器端的 QPS 相對簡單，它只需要處理客戶端的請求即可。但是為了客觀了解處理情況，我們還需要做 2 件事情。

第一：需要記錄每秒處理的請求數目，這需要在代碼里埋入計數器。

第二：需要監控網絡，因為網絡的吞吐情況，可以客觀的反映出 QPS 的真實數據。

為此，我利用 Python 腳本結合 ethtool 工具編寫了一個簡單的工具，通過它我們可以直觀地監視到網絡的數據包通過情況如何。它可以客觀地顯示出我們的網絡有如此多的數據傳輸在發生。

工具截圖：

搖紅包業務

搖紅包的業務非常簡單，首先服務器按照一定的速度生產紅包。紅包沒有被取走的話，就堆積在里面。

服務器接收一個客戶端的請求，如果服務器里現在有紅包就會告訴客戶端有，否則就提示沒有紅包。

因為單機每秒有 3 萬的請求，所以大部分的請求會失敗。只需要處理好鎖的問題即可。

我為了減少競爭，將所有的用戶分在了不同的桶里。這樣可以減少對鎖的競爭。

如果以后還有更高的性能要求，還可以使用高性能隊列——Disruptor 來進一步提高性能。

注意，在我的測試環境里是缺少支付這個核心服務的，所以實現的難度是大大地減輕了。

另外提供一組數字：2016 年淘寶的雙 11 的交易峰值僅僅為 12 萬/秒，微信紅包分發速度是 5 萬/秒，要做到這點是非常困難的。

參考鏈接：

http://mt.sohu.com/20161111/n472951708.shtml

發紅包業務

發紅包的業務很簡單，系統隨機產生一些紅包，并且隨機選擇一些用戶，系統向這些用戶提示有紅包。

這些用戶只需要發出拆紅包的請求，系統就可以隨機從紅包中拆分出部分金額，分給用戶，完成這個業務。同樣這里也沒有支付這個核心服務。

監控

最后，我們需要一套監控系統來了解系統的狀況，我借用了我另一個項目里的部分代碼完成了這個監控模塊，利用這個監控，服務器和客戶端會把當前的計數器內容發往監控，監控需要把各個客戶端的數據做一個整合和展示。

同時還會把日志記錄下來，給以后的分析提供原始數據。線上系統更多使用 opentsdb 這樣的時序數據庫，這里資源有限，所以用了一個原始的方案。

參考鏈接：

https://github.com/xiaojiaqi/fakewechat

監控顯示日志大概這樣：

代碼實現及分析

在代碼方面，使用到的技巧實在不多，主要是設計思想和 Golang 本身的一些問題需要考慮。

首先 Golang 的 goroutine 的數目控制，因為至少有 100 萬以上的連接，所以按照普通的設計方案，至少需要 200 萬或者 300 萬的 goroutine 在工作，這會造成系統本身的負擔很重。

其次就是 100 萬個連接的管理，無論是連接還是業務都會造成一些心智的負擔。

我的設計是這樣的：

①首先將 100 萬連接分成多個不同的 SET，每個 SET 是一個獨立、平行的對象。

每個 SET 只管理幾千個連接，如果單個 SET 工作正常，我只需要添加 SET 就能提高系統處理能力。

②其次謹慎地設計了每個 SET 里數據結構的大小，保證每個 SET 的壓力不會太大，不會出現消息的堆積。

③再次減少了 gcroutine 的數目，每個連接只使用一個 goroutine，發送消息在一個 SET 里只有一個 gcroutine 負責，這樣節省了 100 萬個 goroutine。

這樣整個系統只需要保留 100 萬零幾百個 gcroutine 就能完成業務。大量的節省了 CPU 和內存。

系統的工作流程大概是：每個客戶端連接成功后，系統會分配一個 goroutine 讀取客戶端的消息，當消息讀取完成，將它轉化為消息對象放至在 SET 的接收消息隊列，然后返回獲取下一個消息。

在 SET 內部，有一個工作 goroutine，它只做非常簡單而高效的事情，它做的事情如下。

檢查 SET 的接受消息，它會收到 3 類消息：

• 客戶端的搖紅包請求消息。
• 客戶端的其他消息，比如聊天好友這一類。
• 服務器端對客戶端消息的回應。

對于第 1 種消息是這樣處理的，從客戶端拿到搖紅包請求消息，試圖從 SET 的紅包隊列里獲取一個紅包，如果拿到了就把紅包信息返回給客戶端，否則構造一個沒有搖到的消息，返回給對應的客戶端。

對于第 2 種消息，只需簡單地從隊列里拿走消息，轉發給后端的聊天服務隊列即可，其他服務會把消息轉發出去。

對于第 3 種消息，SET 只需要根據消息里的用戶 id，找到 SET 里保留的用戶連接對象，發回去就可以了。

對于紅包產生服務，它的工作很簡單，只需要按照順序輪流在每個 SET 的紅包產生隊列里放置紅包對象就可以了。

這樣可以保證每個 SET 里都是公平的，其次它的工作強度很低，可以保證業務穩定。

參考鏈接：

https://github.com/xiaojiaqi/10billionhongbaos

實踐

實踐的過程分為三個階段：

階段 1

分別啟動服務器端和監控端，然后逐一啟動 17 臺客戶端，讓它們建立起 100 萬的鏈接。在服務器端，利用 ss 命令統計出每個客戶端和服務器建立了多少連接。

命令如下：

Alias ss2=Ss –ant | grep 1025 | grep EST | awk –F: “{print \$8}” | sort | uniq –c’

結果如下：

階段 2

利用客戶端的 HTTP 接口，將所有的客戶端 QPS 調整到 3 萬，讓客戶端發出 3W QPS 強度的請求。

運行如下命令：

觀察網絡監控和監控端反饋，發現 QPS 達到預期數據，網絡監控截圖：

在服務器端啟動一個產生紅包的服務，這個服務會以 200 個每秒的速度下發紅包，總共 4 萬個。

此時觀察客戶端在監控上的日志，會發現基本上以 200 個每秒的速度獲取到紅包。

等到所有紅包下發完成后，再啟動一個發紅包的服務，這個服務系統會生成 2 萬個紅包，每秒也是 200 個，每個紅包隨機指定 3 位用戶，并向這 3 個用戶發出消息，客戶端會自動來拿紅包，最后所有的紅包都被拿走。

階段 3

利用客戶端的 HTTP 接口，將所有的客戶端 QPS 調整到 6 萬，讓客戶端發出 6W QPS 強度的請求。

如法炮制，在服務器端，啟動一個產生紅包的服務，這個服務會以 200 個每秒的速度下發紅包，總共 4 萬個。

此時觀察客戶端在監控上的日志，會發現基本上以 200 個每秒的速度獲取到紅包。

等到所有紅包下發完成后，再啟動一個發紅包的服務，這個服務系統會生成 2 萬個紅包，每秒也是 200 個，每個紅包隨機指定 3 位用戶，并向這 3 個用戶發出消息，客戶端會自動來拿紅包，最后所有的紅包都被拿走。

最后，實踐完成。

分析數據

在實踐過程中，服務器和客戶端都將自己內部的計數器記錄發往監控端，成為了日志。

我們利用簡單 Python 腳本和 gnuplt 繪圖工具，將實踐的過程可視化，由此來驗證運行過程。

第一張是客戶端的 QPS 發送數據：

這張圖的橫坐標是時間，單位是秒，縱坐標是 QPS，表示這時刻所有客戶端發送的請求的 QPS。

圖的第一區間，幾個小的峰值，是 100 萬客戶端建立連接的， 圖的第二區間是 3 萬 QPS 區間，我們可以看到數據比較穩定地保持在 3 萬這個區間。最后是 6 萬 QPS 區間。

但是從整張圖可以看到 QPS 不是完美地保持在我們希望的直線上。

這主要是以下幾個原因造成的：

①當非常多 goroutine 同時運行的時候，依靠 sleep 定時并不準確，發生了偏移。

我覺得這是 Golang 本身調度導致的。當然如果 CPU 比較強勁，這個現象會消失。

②因為網絡的影響，客戶端在發起連接時，可能發生延遲，導致在前 1 秒沒有完成連接。

③服務器負載較大時，1000M 網絡已經出現了丟包現象，可以通過 ifconfig 命令觀察到這個現象，所以會有 QPS 的波動。

第二張是服務器處理的 QPS 圖：

和客戶端相對應，服務器也存在 3 個區間，和客戶端的情況很接近。但是我們看到了在大概 22：57 分，系統的處理能力就有一個明顯的下降，隨后又提高的尖狀，這說明代碼還需要優化。

整體觀察可以發現，在 3 萬 QPS 區間，服務器的 QPS 比較穩定，在 6 萬 QSP 時候，服務器的處理就不穩定了。我相信這和我的代碼有關，如果繼續優化的話，還應該能有更好的效果。

將兩張圖合并起來：

基本是吻合的，這也證明系統是符合預期設計的。

這是紅包生成數量的狀態變化圖：

非常穩定。

這是客戶端每秒獲取的搖紅包狀態：

可以發現 3 萬 QPS 區間，客戶端每秒獲取的紅包數基本在 200 左右，在 6 萬 QPS 的時候，以及出現劇烈的抖動，不能保證在 200 這個數值了。

我覺得主要是 6 萬 QPS 時候，網絡的抖動加劇了，造成了紅包數目也在抖動。

最后是 Golang 自帶的 pprof 信息，其中有 GC 時間超過了 10ms, 考慮到這是一個 7 年前的硬件，而且非獨占模式，所以還是可以接受。

總結

按照設計目標，我們模擬和設計了一個支持 100 萬用戶，并且每秒至少可以支持 3 萬 QPS，最多 6 萬 QPS 的系統，簡單模擬了微信的搖紅包和發紅包的過程，可以說達到了預期的目的。

如果 600 臺主機每臺主機可以支持 6 萬 QPS，只需要 7 分鐘就可以完成 100 億次搖紅包請求。

雖然這個原型簡單地完成了預設的業務，但是它和真正的服務會有哪些差別呢？

我羅列了一下：