高并发系统的艺术：如何在流量洪峰中游刃有余
前言
我们常说的三高，高并发、高可用、高性能，这些技术是构建现代互联网应用程序所必需的。对于京东618备战来说，所有的中台系统服务，无疑都是围绕着三高来展开的。而对于京东庞大的客户群体，高并发的要求尤为重要。用户对在线服务的需求和期望不断提高，系统的并发处理能力成为衡量其性能和用户体验的关键指标之一。高并发系统不仅仅是大型互联网企业的专利，对于任何希望在市场中占据一席之地的公司来说，能够处理大量并发请求的能力都是至关重要的。
高并发系统的设计和实现是一个复杂且多层次的过程，涉及到硬件资源的合理利用、系统架构的精心设计、并发控制技术的应用以及性能调优等多个方面。无论是电商平台在大促期间应对突发流量，还是社交媒体在热点事件发生时的流量激增，抑或是金融系统在交易高峰期的平稳运行，都需要一个高效、稳定、可扩展的高并发系统作为支撑。
接下来我通过一张思维导图展开我的分享，帮大家梳理一下一个高并发系统所需要考虑的技术点。
单机维度
在单机维度上， 我们一般分为硬件维度和代码维度两个方向考虑。硬件维度比较简单，就是提升单机的硬件性能和网络带宽。而代码维度，则是在高并发系统架构设计时，最容易被大家忽视的，尤其是大量的脱离一线研发并进化成PPT架构师的今天，单机维度基本不在考量范围。
但不积跬步无以至千里，有的时候单机接口的的性能优化，会带来很高的经济成本价值。在代码维度，我这里重点介绍一种情况，关于多线程和异步方法。
a. 多线程和异步方法的误区
关于多线程和异步方法的概念，我再面试候选人的时候，发现很多人对此都有误区。在此，我先详细的一下他俩的概念：
多线程：多线程是指在一个进程中可以同时运行多个线程，每个线程执行不同的任务。Java通过java.lang.Thread类和java.util.concurrent包提供了多线程编程的支持。多线程的主要目的是为了充分利用CPU资源，提高程序的执行效率。
异步方法：异步方法是指在调用某个方法时，不需要等待该方法执行完成即可继续执行后续代码。Java通过CompletableFuture和异步回调机制提供了异步编程的支持。异步方法的主要目的是为了提高系统的响应能力和资源利用率。
b. 多线程能够解决高并发场景么
当大家了解了多线程和异步方法的概念后，那么我们就可以认真思考一下，多线程一定能提升系统的并发能力么？
我的结论是：多线程可以提升部分服务的并发能力，但并不能显著提高性能。
首先我们先了解，Tomcat的Servlet机制是基于多线程实现的，而如果你在单次请求中在此开辟线程池进行多线程处理，在一定的并发情况下，你可能只是改善了单次请求的TP99，但无法有效提升系统的并发能力。因为多线程的性能提升与CPU核心数密切相关。如果系统只有一个CPU核心，那么多个线程只能在该核心上轮流执行，无法实现真正的并行处理。而我们的宿主机一般也就是8C或者16C，在面单机上千的QPS请求时，多线程只会增加CPU上下文切换的负担。
举个简单并且常见的例子，批量下单接口。我们常见的做法就是在批量下单接口中开辟线程池，然后建个多个下单在线程池中并行处理。这样做的结果是，在请求量低的情况下，效果还是可以的，单次请求的QPS也会很低，但如果单机面临每秒上千次的下单请求，这种实现方式就会出现问题。最直观的观察，可以通过TP99的监控曲线发现，就是请求量跟TP99呈现严重的正相关性。
而真正有效的提升下单接口的并发能力，是通过异步方式实现。但异步方式又会增加系统的设计复杂度，比如下单失败，异步回调设计和数据一致性设计等等，也在考量范围之内，这里就不详细展开说明。
c. 小结
多线程和异步方法是Java开发中两种重要的并发处理技术，它们在提高系统性能和响应能力方面各有优势。多线程通过并行处理任务，充分利用CPU资源，适用于CPU密集型任务和需要并行处理的场景。异步方法通过非阻塞I/O操作和异步回调机制，提高系统的响应能力和资源利用率，适用于I/O密集型任务和事件驱动架构。
此外当然还有大家经常乐于讨论的JVM调优问题，基于JVM调优，包括垃圾回收器的选择，参数的合理优化，当然，还有一点，其实大家平时关注不多，就是采用更高版本的JDK和更新的Spring框架，因为高版本的框架会对性能本身有不错的优化。关于这点，我在另一篇文章中有重点介绍：性能加速包: SpringBoot 2.7&JDK 17,你敢尝一尝吗
多机维度
在多机维度考虑系统的高并发性能，应该是大家最长能够想到的场景了，也是架构师们最热衷讨论的点。
首先是对系统的拆分角度来说，第一个是单体应用的水平扩展问题，就是我们所说的负载均衡集群，换成我们经常听到的一个词： 扩容。扩容一般针对负载均衡集群进行水平扩展，用于解决单机无法承载高并发的情况，这也是互联网公司解决高并发场景的最常用手段，就比如每次双十一或者618前夕，我们都会成倍的扩容我们的服务实例。
对系统的另一个拆分角度，叫做垂直拆分，也就是我们常见的分布式系统。比如按照领域划分，我们将一个大的单体服务，拆分成不同的子领域系统，然后每个子领域系统单独承担各自的流量，而不会相互影响。还比如说长江的CQRS设计架构，翻译过来是指令查询分离的设计方式，通过查询和指令服务拆分，来讲高并发的查询场景单独拆分出来进行设计。
既然采用了分布式的微服务架构，那么分布式系统的一些常见痛点也是高并发要考虑的，比如熔断，降级，限流，超时等设计，这些本身是为了增强分布式系统的鲁棒性，从而间接的增强系统的高并发承载能力。关于微服务架构，在此处不再赘述，有兴趣的，可以看我的另一篇文章:【实践篇】教你玩转微服务--基于DDD的微服务架构落地实践之路
垂直维度
所谓垂直维度，是为了区分于单机维度和多机维度的，垂直的意思是针对一个业务系统在系统层级的垂直划分，包括业务应用和数据库。要知道，很多高并发场景，不管是写场景还是读场景，当数据库维度出现瓶颈，扩容就不想业务应用服务那么简单了，所以要区分来说。
a. 业务应用
唯物辩证法中有一个重要概念，就是一切从实际出发，具体问题具体分析。对于高并发系统的构建，虽然有通用的手段和方法论，但没有统一的落地方案，必须根据具体的业务应用场景进行分析和设计。比如你的系统是高并发读还是高并发写，处理思路也是完全不一样的。当然常见的手段和方法论核心包括两点：缓存和异步。但具体到相应的业务，需要仔细思考缓存逻辑怎么设计，异步流程怎么设计，如何保证数据一致性等等。
这块我有一个项目案例，就是在SAAS商城中秒杀场景下，如何设计高性能库存扣减逻辑，我将这块内容写在了我另一篇文章里：高并发场景下的库存管理，理论与实战能否兼得？
b. 数据库
在存储媒介这块其实高并发是不好设计的。比如关系型数据库MySQL, 在进行扩展要比业务应用复杂不少，涉及到的就是数据库的分库分表逻辑。
这块可以参考之前我写过的一篇文章：分而治之--浅谈分库分表及实践之路。
而对于读场景下的高并发请求，还有一种最常见的处理手段，就是异构存储介质，实现读写分离，最常见的就是MySQL关系型数据库负责写，ES这种文档类数据库负责读。而他的技术难点则在于数据的同步和数据一致性上。
审核编辑 黄宇
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