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秒杀系统分析与实现

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前言

什么是秒杀

所谓“秒杀”,通常是由于卖家发布一些标的价格远低于实际价格的稀缺或者特价商品,吸引大量买家在同一时间网上抢购的一种销售方式。由于所有参与“秒杀”的商品通常是以不可思议的低价呈现,因此全国各地大量的顾客一到“秒杀”时段就会守在电脑前不断点击和刷新,进行抢拍,导致大量请求发送到电商服务器。超过秒杀限制的时间或者库存不足后,参与“秒杀”的商品就会拍完下架。

秒杀场景一般会在电商网站举行一些促销活动(如小米手机抢购)或者节假日在12306网站上抢票时遇到。

秒杀场景的特点

  • 资源稀缺:秒杀商品通常价格低、库存有限。

  • 高并发:参与秒杀活动的用户量通常很大,流量集中在某个时间点上(即秒杀开始时),给后端服务器造成很大压力。

  • 定时开始:秒杀活动有固定的开始时间,没到秒杀时间通常不能发起秒杀请求或者其请求视为无效。

秒杀系统的意义

如果你的项目流量非常小,服务器能毫无压力处理所有请求,那么做这样一个系统意义不大。

但如果你的系统要像12306那样,接受高并发访问和下单的考验,那么你就需要一套完整的 流程保护措施
,来保证你系统在用户流量高峰期不会被搞挂了。(就像12306刚开始网络售票那几年一样)

这些措施有什么呢:

  • 防止超卖:库存100件你卖了120件,等着辞职吧
  • 防止褥羊毛:防止黄牛党通过各种技术手段把抢到的秒杀商品转手甩卖,既对系统造成了更大的流量压力也产生了造成了不公平竞争的发生。。
  • 保证用户体验:高并发下,别网页打不开了,支付不成功了,购物车进不去了,地址改不了了。这个问题非常之大,涉及到各种技术,也不是一下子就能讲完的,甚至根本就没法讲完。

秒杀系统的功能

如果你的项目流量非常小,完全不用担心有并发的购买请求,那么做这样一个系统意义不大。

但如果你的系统要像12306那样,接受高并发访问和下单的考验,那么你就需要一套完整的 流程保护措施
,来保证你系统在用户流量高峰期不会被搞挂了。(就像12306刚开始网络售票那几年一样)

  • 限流: 鉴于只有少部分用户能够秒杀成功,所以要限制大部分流量,只允许少部分流量进入服务后端。
  • 削峰:对于秒杀系统瞬时会有大量用户涌入,所以在抢购一开始会有很高的瞬间峰值。高峰值流量是压垮系统很重要的原因,所以如何把瞬间的高流量变成一段时间平稳的流量也是设计秒杀系统很重要的思路。实现削峰的常用的方法有利用缓存和消息中间件等技术。
  • 异步处理:秒杀系统是一个高并发系统,采用异步处理模式可以极大地提高系统并发量,其实异步处理就是削峰的一种实现方式。
  • 内存缓存:秒杀系统最大的瓶颈一般都是数据库读写,由于数据库读写属于磁盘IO,性能很低,如果能够把部分数据或业务逻辑转移到内存缓存,效率会有极大地提升。
  • 可拓展:当然如果我们想支持更多用户,更大的并发,最好就将系统设计成弹性可拓展的,如果流量来了,拓展机器就好了。像淘宝、京东等双十一活动时会增加大量机器应对交易高峰。

秒杀架构方案

设计思路

秒杀系统特点是并发量极大,但实际秒杀成功的请求数量却很少,所以如果不在前端拦截很可能造成数据库读写锁冲突,甚至导致死锁,最终请求超时,所以需要在上游对请求进行一定的过滤,同时对于服务器也应该提高单次响应的效率。

解决方案

具体解决方案如下:

  • 限制用户的请求次数

    每次用户请求后在缓存中进行计数,并设置相应有效期,当用户请求达到阈值直接拒绝请求,实现限制单用户每秒请求次数的功能,防止单一用户的高频访问给系统造成更大压力,这个策略根据业务需求的不同可对账号的限制、IP的限制或账号和IP共同限制。

    通过随机算法、哈希算法或根据当前负载情况动态地拦截请求,快速失败,只将少部分的请求放入MQ等待消费者消费。

    禁止重复提交,用户提交之后前端页面按钮置灰。

  • 验证码机制

    通过验证码机制能够很好限制用户的请求速度,同时也能防止作弊。验证码的选择上可以选择图片、算式、滑块等,为了防止验证码识别工具,尽可能选择较复杂的验证码。

  • 页面静态化

    通过页面静态化、页面缓存的方式可显著降低响应的时间。

    缓存可以放在用户浏览器、服务端或CDN,放在浏览器上的缓存具有不可控性,如果用户不进行及时刷新,很可能看到错误的不一致信息,对于秒杀系统而言,信息的实时性非常重要,这点看来放在浏览器上的缓存并不合适。另外服务端主要进行业务逻辑的计算和加载,不擅长处理大量连接,如果进行页面的缓存和加载会带来性能的降低。因此页面缓存常放在CDN上。

  • 消息队列

    消息队列可以削峰,将拦截大量并发请求,这也是一个异步处理过程,后台业务根据自己的处理能力,从消息队列中主动的拉取请求消息进行业务处理。

  • 库存预热

    我们也可以把数据库中的库存数据转移到Redis缓存中,所有减库存操作都在Redis中进行,然后再通过后台进程把Redis中的用户秒杀请求同步到数据库中。

秒杀系统实现

数据库设计

数据库初始化脚本:

-- 创建数据库
CREATE DATABASE seckill;
-- 使用数据库
CREATE TABLE seckill(
seckill_id BIGINT NOT NUll AUTO_INCREMENT COMMENT '商品库存ID',
name VARCHAR(120) NOT NULL COMMENT '商品名称',
number int NOT NULL COMMENT '库存数量',
start_time TIMESTAMP NOT NULL COMMENT '秒杀开始时间',
end_time TIMESTAMP NOT NULL COMMENT '秒杀结束时间',
create_time TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
PRIMARY KEY (seckill_id),
key idx_start_time(start_time),
key idx_end_time(end_time),
key idx_create_time(create_time)
)ENGINE=INNODB AUTO_INCREMENT=1000 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='秒杀库存表';

-- 初始化数据
NSERT into seckill(name,number,start_time,end_time) VALUES
 ('1000元秒杀iphone6',100,'2016-01-01 00:00:00','2016-01-02 00:00:00'),
 ('800元秒杀ipad',200,'2016-01-01 00:00:00','2016-01-02 00:00:00'),
 ('6600元秒杀mac book pro',300,'2016-01-01 00:00:00','2016-01-02 00:00:00'),
 ('7000元秒杀iMac',400,'2016-01-01 00:00:00','2016-01-02 00:00:00');

-- 秒杀成功明细表
CREATE TABLE success_killed(
seckill_id BIGINT NOT NULL COMMENT '秒杀商品ID',
user_phone BIGINT NOT NULL COMMENT '用户手机号',
state TINYINT NOT NULL DEFAULT -1 COMMENT '状态标识:-1:无效 0:成功 1:已付款 2:已发货',
create_time TIMESTAMP NOT NULL COMMENT '创建时间',
PRIMARY KEY(seckill_id,user_phone),/*联合主键*/
)ENGINE=INNODB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='秒杀成功明细表';

SHOW CREATE TABLE seckill;#显示表的创建信息

存储过程脚本:

-- 秒杀执行存储过程
DELIMITER $$ -- onsole ; 转换为 $$
-- 定义存储过程
-- 参数:in 输入参数; out 输出参数
-- row_count():返回上一条修改类型sql(delete,insert,upodate)的影响行数
-- row_count: 0:未修改数据; >0:表示修改的行数; <0:sql错误/未执行修改sql
CREATE PROCEDURE `seckill`.`execute_seckill`
(IN v_seckill_id bigint, IN v_phone BIGINT,
IN v_kill_time TIMESTAMP, OUT r_result INT)
	BEGIN
		DECLARE insert_count INT DEFAULT 0;
		START TRANSACTION;
		INSERT ignore INTO success_killed (seckill_id, user_phone, create_time)
		VALUES(v_seckill_id, v_phone, v_kill_time);
		SELECT ROW_COUNT() INTO insert_count;
		IF (insert_count = 0) THEN
			ROLLBACK;
			SET r_result = -1;
		ELSEIF (insert_count < 0) THEN
			ROLLBACK ;
			SET r_result = -2;
		ELSE
			UPDATE seckill SET number = number - 1
			WHERE seckill_id = v_seckill_id AND end_time > v_kill_time
			AND start_time < v_kill_time AND number > 0;
			SELECT ROW_COUNT() INTO insert_count;
			IF (insert_count = 0) THEN
				ROLLBACK;
				SET r_result = 0;
			ELSEIF (insert_count < 0) THEN
				ROLLBACK;
				SET r_result = -2; 
			ELSE
				COMMIT;
			SET r_result = 1;
			END IF;
		END IF;
	END;
$$
-- 代表存储过程定义结束

DELIMITER ;

SET @r_result = -3;
-- 执行存储过程
call execute_seckill(1001, 13631231234, now(), @r_result);
-- 获取结果
SELECT @r_result;

-- 存储过程
-- 1.存储过程优化:事务行级锁持有的时间
-- 2.不要过度依赖存储过程
-- 3.简单的逻辑可以应用存储过程
-- 4.QPS:一个秒杀单6000/qps


创建一个springboot项目

导入pom依赖:

       <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-thymeleaf</artifactId>
        </dependency>

        <!--缺少此jar包,导致@Mapper注解无效-->
        <dependency>
            <groupId>org.mybatis.spring.boot</groupId>
            <artifactId>mybatis-spring-boot-starter</artifactId>
            <!--版本1.2.0否则无效-->
            <version>1.2.0</version>
        </dependency>


        <dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>com.alibaba</groupId>
            <artifactId>druid</artifactId>
            <version>1.0.5</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>redis.clients</groupId>
            <artifactId>jedis</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>com.alibaba</groupId>
            <artifactId>fastjson</artifactId>
            <version>1.2.38</version>
        </dependency>

application.properties文件配置如下:

spring.thymeleaf.prefix=classpath:/templates/
spring.thymeleaf.suffix=.html
spring.thymeleaf.cache=false
mybatis.type-aliases-package=com.aliencat.application.seckill.dao
mybatis.configuration.map-underscore-to-camel-case=true
mybatis.mapperLocations=classpath:mapper/*.xml
spring.datasource.username=账号
spring.datasource.password=密码
spring.datasource.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.datasource.url=jdbc:mysql://你的数据库/kill?useunicode=true&characterEncoding=utf-8&useSSL=false&serverTimezone=GMT%2B8
spring.datasource.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource
redis.host=你的redis地址(如果是虚拟机,那么就是本地,如果是云服务器,就是ip地址)
redis.port=6379
redis.timeout=3
redis.password=密码
redis.poolMaxTotal=10
redis.poolMaxIdle=10
redis.poolMaxWait=3

DAO层设计

库存DAO接口:

/**
 * 秒杀库存DAO接口
 */
@Component(value = "seckillMapper")
public interface SeckillMapper<T> extends Mapper<T>, MySqlMapper<T> {

    /**
     * 减库存
     *
     * @param seckillId
     * @param killTime
     * @return 如果影响行数等于>1,表示更新的记录行数
     */
    int reduceNumber(@Param("seckillId") long seckillId, @Param("killTime") Date killTime);

    /**
     * 根据id查询秒杀对象
     *
     * @param seckillId
     * @return
     */
    Seckill queryById(long seckillId);

    /**
     * 根据偏移量查询秒杀商品列表
     *
     * @param offset
     * @param limit
     * @return
     */
    List<Seckill> queryAll(@Param("offset") int offset, @Param("limit") int limit);

    /**
     * 使用存储过程执行秒杀
     *
     * @param paramMap
     */
    void killByProcedure(Map<String, Object> paramMap);

}

秒杀成功详情接口:

@Component(value = "successKilledMapper")
public interface SuccessKilledMapper {

    /**
     * 插入购买明细,可过滤重复
     *
     * @param seckillId
     * @param userPhone
     * @return 插入的行数
     */
    int insertSuccessKilled(@Param("seckillId") long seckillId, @Param("userPhone") long userPhone);

    /**
     * 根据id查询SuccessKilled并携带秒杀产品对象实体
     *
     * @param seckillId
     * @param userPhone
     * @return
     */
    SuccessKilled queryByIdWithSeckill(@Param("seckillId") long seckillId, @Param("userPhone") long userPhone);

}

缓存查询接口:

@Component
public class RedisDao {

    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());

    private final JedisPool jedisPool;

    private RuntimeSchema<Seckill> schema = RuntimeSchema.createFrom(Seckill.class);

    public RedisDao(String ip, int port) {
        jedisPool = new JedisPool(ip, port);
    }

    public Seckill getSeckill(long seckillId) {
        // redis操作逻辑
        try {
            Jedis jedis = jedisPool.getResource();
            try {
                String key = "seckill:" + seckillId;
                // 并没有实现内部序列化操作
                // get -> byte[] -> 反序列化 -> object[Seckill]
                // 采用自定义序列化
                // protostuff : pojo.
                byte[] bytes = jedis.get(key.getBytes());
                if (bytes != null) {
                    Seckill seckill = schema.newMessage();
                    ProtostuffIOUtil.mergeFrom(bytes, seckill, schema);
                    // seckill被反序列化
                    return seckill;
                }
            } finally {
                jedis.close();
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
        }
        return null;
    }

    public String putSeckill(Seckill seckill) {
        // set Object(Seckill) -> 序列号 -> byte[]
        try {
            Jedis jedis = jedisPool.getResource();
            try {
                String key = "seckill:" + seckill.getSeckillId();
                byte[] bytes = ProtostuffIOUtil.toByteArray(seckill, schema,
                        LinkedBuffer.allocate(LinkedBuffer.DEFAULT_BUFFER_SIZE));
                // 超时缓存
                int timeout = 60 * 60;
                String result = jedis.setex(key.getBytes(), timeout, bytes);
                return result;
            } finally {
                jedis.close();
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
        }
        return null;
    }

}

Service层设计

秒杀业务接口:

/**
 * 秒杀业务接口
 */
public interface SeckillService {

    /**
     * 查询所有秒杀记录
     */
    List<Seckill> getSeckillList();

    /**
     * 查询单个秒杀记录
     *
     * @param seckillId
     */
    Seckill getById(long seckillId);

    /**
     * 秒杀开启时输出秒杀接口地址,否则输出系统时间和秒杀时间
     *
     * @param seckillId
     */
    Exposer exportSeckillUrl(long seckillId);

    /**
     * 执行秒杀操作
     *
     * @param seckillId
     * @param userPhone
     * @param md5
     */
    SeckillExecution executeSeckill(long seckillId, long userPhone, String md5)
            throws SeckillException, RepeatKillException, SeckillCloseException;

    /**
     * 执行秒杀操作by存储过程
     *
     * @param seckillId
     * @param userPhone
     * @param md5
     */
    SeckillExecution executeSeckillProcedure(long seckillId, long userPhone, String md5)
            throws SeckillException, RepeatKillException, SeckillCloseException;

}

Controller层设计

秒杀控制器代码:

@Controller
@RequestMapping("/seckill") // url:/模块/资源/{id}/细分 /seckill/list
public class SeckillController {

    private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());

    @Autowired
    private SeckillService seckillService;

    @RequestMapping(value = "/list", method = RequestMethod.GET)
    public String list(Model model) {
        // 获取列表页
        List<Seckill> list = seckillService.getSeckillList();
        model.addAttribute("list", list);
        // list.jsp + model = ModelAndView
        return "list";// WEB-INF/jsp/"list".jsp
    }

    @RequestMapping(value = "/{seckillId}/detail", method = RequestMethod.GET)
    public String detail(@PathVariable("seckillId") Long seckillId, Model model) {
        if (seckillId == null) {
            return "redirect:/seckill/list";
        }
        Seckill seckill = seckillService.getById(seckillId);
        if (seckill == null) {
            return "forward:/seckill/list";
        }
        model.addAttribute("seckill", seckill);
        return "detail";
    }

    // ajax json
    @RequestMapping(value = "/{seckillId}/exposer", method = RequestMethod.POST, produces = {
            "application/json; charset=utf-8"})
    @ResponseBody
    public SeckillResult<Exposer> exposer(@PathVariable("seckillId") Long seckillId) {
        SeckillResult<Exposer> result;
        try {
            Exposer exposer = seckillService.exportSeckillUrl(seckillId);
            result = new SeckillResult<Exposer>(true, exposer);
        } catch (Exception e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
            result = new SeckillResult<Exposer>(false, e.getMessage());
        }
        return result;
    }

    @RequestMapping(value = "/{seckillId}/{md5}/execution", method = RequestMethod.POST, produces = {
            "application/json; charset=utf-8"})
    @ResponseBody
    public SeckillResult<SeckillExecution> execute(@PathVariable("seckillId") Long seckillId,
                                                   @PathVariable("md5") String md5, @CookieValue(value = "killPhone", required = false) Long phone) {
        // springmvc valid
        if (phone == null) {
            return new SeckillResult<>(false, "未注册");
        }
        try {
            // 存储过程调用
            SeckillExecution execution = seckillService.executeSeckillProcedure(seckillId, phone, md5);
            return new SeckillResult<SeckillExecution>(true, execution);
        } catch (RepeatKillException e) {
            SeckillExecution execution = new SeckillExecution(seckillId, SeckillStateEnum.REPEAT_KILL);
            return new SeckillResult<SeckillExecution>(true, execution);
        } catch (SeckillCloseException e) {
            SeckillExecution execution = new SeckillExecution(seckillId, SeckillStateEnum.END);
            return new SeckillResult<SeckillExecution>(true, execution);
        } catch (Exception e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
            SeckillExecution execution = new SeckillExecution(seckillId, SeckillStateEnum.INNER_ERROR);
            return new SeckillResult<SeckillExecution>(true, execution);
        }
    }

    @RequestMapping(value = "/time/now", method = RequestMethod.GET)
    @ResponseBody
    public SeckillResult<Long> time() {
        Date now = new Date();
        return new SeckillResult<Long>(true, now.getTime());
    }

}

秒杀页面

<div class="panel panel-default">
  <div class="panel-heading">秒杀商品详情</div>
  <div class="panel-body">
  	<span th:if="${user eq null}"> 您还没有登录,请登陆后再操作<br/></span>
  	<span>没有收货地址的提示。。。</span>
  </div>
  <table class="table" id="goodslist">
  	<tr>  
        <td>商品名称</td>  
        <td colspan="3" th:text="${goods.goodsName}"></td> 
     </tr>  
     <tr>  
        <td>商品图片</td>  
        <td colspan="3"><img th:src="@{${goods.goodsImg}}" width="200" height="200" /></td>  
     </tr>
     <tr>  
        <td>秒杀开始时间</td>  
        <td th:text="${#dates.format(goods.startDate, 'yyyy-MM-dd HH:mm:ss')}"></td>
        <td id="miaoshaTip">	
        	<input type="hidden" id="remainSeconds" th:value="${remainSeconds}" />
        	<span th:if="${miaoshaStatus eq 0}">秒杀倒计时:<span id="countDown" th:text="${remainSeconds}"></span>秒</span>
        	<span th:if="${miaoshaStatus eq 1}">秒杀进行中</span>
        	<span th:if="${miaoshaStatus eq 2}">秒杀已结束</span>
        </td>
        <td>
        	<form id="miaoshaForm" method="post" action="/miaosha/do_miaosha">
        		<button class="btn btn-primary btn-block" type="submit" id="buyButton">立即秒杀</button>
        		<input type="hidden" name="goodsId" th:value="${goods.id}" />
        	</form>
        </td>
     </tr>
     <tr>  
        <td>商品原价</td>  
        <td colspan="3" th:text="${goods.goodsPrice}"></td>  
     </tr>
      <tr>  
        <td>秒杀价</td>  
        <td colspan="3" th:text="${goods.miaoshaPrice}"></td>  
     </tr>
     <tr>  
        <td>库存数量</td>  
        <td colspan="3" th:text="${goods.stockCount}"></td>  
     </tr>
  </table>
</div>
<script>
$(function(){
	countDown();
});

function countDown(){
	var remainSeconds = $("#remainSeconds").val();
	var timeout;
	if(remainSeconds > 0){//秒杀还没开始,倒计时
		$("#buyButton").attr("disabled", true);
		timeout = setTimeout(function(){
			$("#countDown").text(remainSeconds - 1);
			$("#remainSeconds").val(remainSeconds - 1);
			countDown();
		},1000);
	}else if(remainSeconds == 0){//秒杀进行中
		$("#buyButton").attr("disabled", false);
		if(timeout){
			clearTimeout(timeout);
		}
		$("#miaoshaTip").html("秒杀进行中");
	}else{//秒杀已经结束
		$("#buyButton").attr("disabled", true);
		$("#miaoshaTip").html("秒杀已经结束");
	}
}
</script>