《智能產(chǎn)品》 課件 第7章智能產(chǎn)品中的高并發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能產(chǎn)品

第七章智能產(chǎn)品中的高并發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1課程簡(jiǎn)介2高并發(fā)系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)高并發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法智能產(chǎn)品中高并發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用案例31高并發(fā)系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)高并發(fā)系統(tǒng)，全英文名為HighConcurrencySystem，是一種系統(tǒng)運(yùn)行過程中遇到的一種“短時(shí)間內(nèi)遇到大量操作請(qǐng)求”的情況，主要發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Web服務(wù)器等方面，系統(tǒng)需要處理大量用戶請(qǐng)求或數(shù)據(jù)交互的場(chǎng)景（例如：每年的雙十一、微博上歷次明星熱度頭條）。這種情況下，系統(tǒng)需要具備高效的并發(fā)處理能力，以確保用戶可以快速地獲得響應(yīng)，并且系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行而不會(huì)因?yàn)樨?fù)載過重而崩潰。研招網(wǎng)調(diào)劑網(wǎng)站由于高并發(fā)條件導(dǎo)致系統(tǒng)奔潰的案例4高并發(fā)系統(tǒng)面臨著一個(gè)共同的挑戰(zhàn)：應(yīng)對(duì)瞬間的大量請(qǐng)求。這種情況就像一家商店突然涌入了大批顧客，如果不妥善處理，將會(huì)導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)間增長(zhǎng)、服務(wù)速度減慢，甚至引發(fā)混亂。為了讓系統(tǒng)在這種情況下依然能夠順暢運(yùn)行，我們需要采取一系列技術(shù)手段，來應(yīng)對(duì)這種“客流高峰期”。首先，我們可以優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)施，比如增加服務(wù)器的數(shù)量或者提升服務(wù)器的性能，就像是給商店增加了更多的收銀臺(tái)和更多的服務(wù)員一樣。其次，我們可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，確保信息能夠快速傳遞，就像是在商店里開辟更多的出入口以加快顧客的流動(dòng)一樣。此外，我們還可以優(yōu)化應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫，以提升系統(tǒng)的處理能力和效率，就像是優(yōu)化商店的收銀系統(tǒng)和庫存管理一樣。挑戰(zhàn)策略5在設(shè)計(jì)智能產(chǎn)品中的高并發(fā)系統(tǒng)時(shí)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)需要考慮：6性能指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間（ResponseTime）：從第一次發(fā)出請(qǐng)求到收到系統(tǒng)完整響應(yīng)數(shù)據(jù)所需時(shí)間，直接反映系統(tǒng)響應(yīng)的快慢。吞吐量（Throughput）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所處理的用戶請(qǐng)求數(shù)，直接反映系統(tǒng)的負(fù)載能力。每秒請(qǐng)求數(shù)（QPS）：服務(wù)器在一秒內(nèi)共處理了多少個(gè)請(qǐng)求，主要用于表示“讀”請(qǐng)求。每秒事務(wù)數(shù)（TPS）：即服務(wù)器每秒處理的事務(wù)數(shù)。（一個(gè)事務(wù)包括“客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求+服務(wù)器響應(yīng)”的過程）訪問量（PV）：用戶每對(duì)網(wǎng)站中的1個(gè)網(wǎng)頁訪問1次被記錄1次。獨(dú)立訪客（UV）：訪問某個(gè)站點(diǎn)或點(diǎn)擊某個(gè)鏈接的不同IP地址數(shù)。（即在同一天內(nèi)，UV只記錄第一次進(jìn)入網(wǎng)站的具有獨(dú)立IP地址的訪問者，在同一天內(nèi)訪問者再次訪問該網(wǎng)站則不計(jì)數(shù)。）7高并發(fā)絕不意味著只追求高性能。從宏觀角度看，高并發(fā)系統(tǒng)有高性能、高可用，以及高可擴(kuò)展等三個(gè)基本設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)目標(biāo)8除了上述幾個(gè)基本特點(diǎn)外，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品中的高并發(fā)系統(tǒng)時(shí)還需要考慮的以下設(shè)計(jì)因素：設(shè)計(jì)因素9智能產(chǎn)品中的高并發(fā)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中會(huì)面臨著一系列挑戰(zhàn)：面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)102高并發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法高并發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（1）分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)原則這種原則通常是根據(jù)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行確立的。如果系統(tǒng)規(guī)模較大，需要支持高并發(fā)和容錯(cuò)性，那么就需要進(jìn)行分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)。11（2）緩存設(shè)計(jì)原則緩存可以減輕數(shù)據(jù)庫的負(fù)載，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。當(dāng)用戶需要查詢數(shù)據(jù)信息時(shí)，首先會(huì)查詢緩存。如果緩存中存在數(shù)據(jù)信息，則直接返回；如果緩存中不存在該數(shù)據(jù)信息，則從數(shù)據(jù)庫中查詢，并將查詢結(jié)果放入緩存。但是，緩存也存在一些問題，例如緩存雪崩、緩存穿透等問題。因此，在設(shè)計(jì)緩存時(shí)需要考慮緩存的清理策略、緩存的數(shù)據(jù)一致性等問題。12（3）異步消息處理原則采用異步消息處理可以分散系統(tǒng)的壓力，提高系統(tǒng)的并發(fā)性。異步消息處理的主要問題就是消息的順序性問題。13（4）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)原則數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)需要考慮表設(shè)計(jì)的規(guī)范化和冗余度的問題。在高并發(fā)場(chǎng)景下，需要考慮數(shù)據(jù)庫的讀寫性能、索引的設(shè)計(jì)等問題。當(dāng)超市在進(jìn)行智能化過程中，我們需要一個(gè)超市的庫存管理系統(tǒng)記錄著所有的商品的庫存情況，就相當(dāng)于系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫。14（5）負(fù)載均衡原則負(fù)載均衡是實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。負(fù)載均衡可以實(shí)現(xiàn)將請(qǐng)求分散到多臺(tái)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)更好的性能和可用性。但是負(fù)載均衡同時(shí)也無法考慮服務(wù)器的實(shí)際負(fù)載情況，可能導(dǎo)致某些服務(wù)器負(fù)載過重，影響性能。15（6）安全性設(shè)計(jì)原則在高并發(fā)場(chǎng)景下，安全性設(shè)計(jì)也非常重要。需要考慮數(shù)據(jù)的加密、防止SQL注入等問題。同時(shí)，需要考慮分布式攻擊的問題，例如DDoS攻擊等。16高并發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與策略（1）分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)方法與策略分布式架構(gòu)是現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一種重要方法，通過將系統(tǒng)的各個(gè)部分分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，來提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可用性和性能。17（2）緩存設(shè)計(jì)方法與策略18（3）異步消息處理的方法與策略1）異步消息的發(fā)送異步消息發(fā)送的主要步驟是：客戶端發(fā)送消息到消息中間件，消息中間件接受并處理存儲(chǔ)消息，消息中間件將消息發(fā)送給消息消費(fèi)者。2）異步消息的處理異步消息處理的主要步驟是：消息消費(fèi)者從消息隊(duì)列中獲取消息，消息消費(fèi)者進(jìn)行消息處理，消息消費(fèi)者將處理結(jié)果發(fā)送到消息中間件。19（4）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法與策略1）規(guī)范化設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求確定數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化程度，選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)范化方法。設(shè)計(jì)關(guān)系模式，將實(shí)體及其屬性轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式。設(shè)計(jì)表格，規(guī)劃表格的結(jié)構(gòu)，確定主鍵、外鍵、索引等。2）高并發(fā)場(chǎng)景下的讀寫性能選擇合適的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和存儲(chǔ)引擎。設(shè)置合適的緩存機(jī)制，如緩存預(yù)熱、緩存更新等。設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)庫訪問策略，如讀寫分離、分庫分表、垂直拆分、水平拆分等。3）索引的設(shè)計(jì)分析常用的查詢語句，確定需要建立索引的字段。設(shè)計(jì)合理的索引類型，如B+樹、哈希等。對(duì)于復(fù)合索引，確定索引字段的順序。20（5）負(fù)載均衡設(shè)計(jì)的方法與策略21（6）安全設(shè)計(jì)的方法與策略223智能產(chǎn)品中高并發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用案例（1）電商平臺(tái)電商平臺(tái)如淘寶、拼多多、京東等面臨著大量的用戶訪問和交易請(qǐng)求。這些平臺(tái)需要處理數(shù)百萬甚至數(shù)億的用戶同時(shí)在線，以及成千上萬的交易請(qǐng)求。為了應(yīng)對(duì)這種高并發(fā)需求，電商平臺(tái)通常采用分布式架構(gòu)、負(fù)載均衡、緩存技術(shù)等，并且需要保證系統(tǒng)的高可用性和穩(wěn)定性。（2）社交媒體平臺(tái)社交媒體平臺(tái)如微博等每天都面臨著海量的用戶發(fā)布內(nèi)容、評(píng)論、點(diǎn)贊等行為。這些平臺(tái)需要能夠?qū)崟r(shí)處理大量的用戶交互請(qǐng)求，并且要保證消息的實(shí)時(shí)傳遞和內(nèi)容的快速更新。為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)需求，社交媒體平臺(tái)通常采用分布式存儲(chǔ)和計(jì)算、消息隊(duì)列、實(shí)時(shí)推送等技術(shù)。23（3）在線視頻平臺(tái)在線視頻平臺(tái)如抖音、快手等每天都有大量的用戶同時(shí)觀看視頻內(nèi)容。這些平臺(tái)需要能夠?qū)崟r(shí)處理用戶的視頻播放請(qǐng)求，并且要保證視頻的流暢播放和高清畫質(zhì)。為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)需求，在線視頻平臺(tái)通常采用CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）、流媒體傳輸技術(shù)、視頻壓縮和緩存等技術(shù)。（4）金融交易系統(tǒng)金融交易系統(tǒng)如股票交易所、支付網(wǎng)關(guān)等需要能夠?qū)崟r(shí)處理大量的交易請(qǐng)求，并且要保證交易的安全性和一致性。這些系統(tǒng)通常采用高性能的交易引擎、分布式數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)等技術(shù)來應(yīng)對(duì)高并發(fā)需求。24（5）在線游戲平臺(tái)在線游戲平臺(tái)如騰訊游戲、網(wǎng)易游戲等需要能夠?qū)崟r(shí)處理大量的玩家登錄、游戲匹配、游戲數(shù)據(jù)同步等請(qǐng)求，并且要保證游戲的流暢性和穩(wěn)定性。這些平臺(tái)通常采用分布式游戲服務(wù)器、消息隊(duì)列、實(shí)時(shí)通訊技術(shù)等來應(yīng)對(duì)高并發(fā)需求。25（6）智能家居在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，消息隊(duì)列、實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫集群等組件采用分布式架構(gòu)，以提高智能家居系統(tǒng)的擴(kuò)展性、容錯(cuò)性和性能。26通過觀察實(shí)際應(yīng)用中的成功案例，我們可以汲取許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)：（1）高可用性架構(gòu)設(shè)計(jì)成功的高并發(fā)系統(tǒng)通常采用高可用性架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括負(fù)載均衡、分布式存儲(chǔ)和計(jì)算、故障切換等技術(shù)。負(fù)載均衡設(shè)備如Nginx、HAProxy等，均衡服務(wù)器的負(fù)載，避免單點(diǎn)故障，確保系統(tǒng)在面對(duì)故障或者負(fù)載增加時(shí)仍然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。分布式存儲(chǔ)技術(shù)如Hadoop、Cassandra等，可以有效管理大量數(shù)據(jù)，提供高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問。故障切換機(jī)制可以在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)迅速切換到備用系統(tǒng)，保證服務(wù)的連續(xù)性。27（2）性能優(yōu)化和緩存機(jī)制為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和吞吐量，成功的高并發(fā)系統(tǒng)通常采用性能優(yōu)化和緩存機(jī)制。CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）如Cloudflare、Akamai等，可以將內(nèi)容分發(fā)到全球各地的節(jié)點(diǎn)，減少用戶訪問的延遲。緩存技術(shù)如Redis、Memcached等，可以緩存熱門數(shù)據(jù)，減少對(duì)底層資源的訪問次數(shù)，提升系統(tǒng)性能。異步處理機(jī)制可以將長(zhǎng)時(shí)間的操作放在后臺(tái)處理，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。28（3）分布式架構(gòu)和微服務(wù)設(shè)計(jì)成功的高并發(fā)系統(tǒng)通常采用分布式架構(gòu)和微服務(wù)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)拆分成多個(gè)獨(dú)立的服務(wù)。每個(gè)服務(wù)可以獨(dú)立開發(fā)、部署和管理，采用容器化技術(shù)如Docker、Kubernetes進(jìn)行部署和管理，以提高系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。微服務(wù)架構(gòu)使得系統(tǒng)可以更容易地?cái)U(kuò)展和升級(jí)，每個(gè)服務(wù)都可以獨(dú)立地進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化。（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)化運(yùn)維成功的高并發(fā)系統(tǒng)通常建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并采用自動(dòng)化運(yùn)維工具。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)如Prometheus、Grafana等，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)的性能問題和故障。自動(dòng)化運(yùn)維工具如Ansible、Chef、Puppet