太變態(tài)了，每秒 10W 并發(fā)的無鎖緩存，你敢信？

作者：58沈劍 2025-04-22 08:55:31

開發(fā) 架構(gòu)

司機(jī)地理位置信息會隨時(shí)變化，可能每幾秒鐘地理位置要修改一次，這一類業(yè)務(wù)，一般怎么實(shí)現(xiàn)呢？

有一類業(yè)務(wù)場景：

超高吞吐量，每秒要處理海量請求；
寫多讀少，大部分請求是對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，少部分請求對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；

快狗打車，場景舉例：

司機(jī)地理位置信息會隨時(shí)變化，可能每幾秒鐘地理位置要修改一次；
用戶打車的時(shí)候查看某個(gè)司機(jī)的地理位置，查詢地理位置的頻率相對較低；

這里要用到兩個(gè)接口：

(1) 大量修改司機(jī)信息：

void SetDriverInfo(long driver_id, DriverInfo info);

(2) 相對少量查詢司機(jī)信息：

DriverInfo GetDriverInfo(long driver_id);

這一類業(yè)務(wù)，一般怎么實(shí)現(xiàn)呢？

具體到底層的實(shí)現(xiàn)，往往是一個(gè)Map內(nèi)存緩存：

查詢key定長，例如：司機(jī)ID；
返回value也定長，例如：司機(jī)實(shí)體序列化后的二進(jìn)制串；

即，類似這樣的一個(gè)kv緩存結(jié)構(gòu)：

Map<driver_id, DriverInfo>

這個(gè)kv內(nèi)存緩存是一個(gè)臨界資源，對它的并發(fā)訪問，有什么注意事項(xiàng)么？

臨界資源的訪問，需要注意加讀寫鎖，實(shí)施互斥。

以下，是加鎖寫入的偽代碼：

void SetDriverInfo(long driver_id, DriverInfo info){

         WriteLock (m_lock);

         Map<driver_id>= info;

         UnWriteLock(m_lock);

}

畫外音：假設(shè)info已經(jīng)序列化。

以下，是加鎖讀取的偽代碼：

DriverInfo GetDriverInfo(long driver_id){

         DriverInfo t;

         ReadLock(m_lock);

         t= Map<driver_id>;

         UnReadLock(m_lock);

         return t;

}

當(dāng)吞吐量很高時(shí)，上述流程可能存在什么問題？

假設(shè)快狗打車有100w司機(jī)同時(shí)在線，每個(gè)司機(jī)每5秒更新一次經(jīng)緯度狀態(tài)，那么每秒就有20w次寫并發(fā)操作。

假設(shè)快狗打車日訂單1000w個(gè)，平均每秒大概也有300個(gè)下單，對應(yīng)到查詢并發(fā)量，大概每秒1000級別的并發(fā)讀操作。

在這樣的吞吐量下（每秒20w寫，1k讀），鎖m_lock會成為潛在瓶頸，導(dǎo)致Map訪問效率極低。

有什么潛在的優(yōu)化方法么？

鎖沖突之所以嚴(yán)重，是因?yàn)檎麄€(gè)Map共用一把鎖，鎖的粒度太粗。

畫外音：可以認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)庫的“庫級別鎖”。

是否可能進(jìn)行水平拆分，來降低鎖沖突呢？

答案是肯定的。

畫外音：類似于數(shù)據(jù)庫里的分庫，把一個(gè)庫鎖變成多個(gè)庫鎖，來提高并發(fā)，降低鎖沖突。

我們可以把1個(gè)Map水平切分成N個(gè)Map：

void SetDriverInfo(long driver_id, DriverInfo info){

         i = driver_id % N; // 水平拆分成N份，N個(gè)Map，N個(gè)鎖

         WriteLock (m_lock[i]);  //鎖第i把鎖

         Map[i]<driver_id>= info;  // 操作第i個(gè)Map

         UnWriteLock (m_lock[i]); // 解鎖第i把鎖

}

如此優(yōu)化，能否提高性能？

一個(gè)Map變成了N個(gè)Map，每個(gè)Map的并發(fā)量，變成了1/N；
同時(shí)，每個(gè)Map的數(shù)據(jù)量，變成了1/N；

所以理論上，鎖沖突會成平方指數(shù)降低，性能會提升。

有沒有可能，進(jìn)一步細(xì)化鎖粒度，一個(gè)元素一把鎖呢？

答案也是肯定的。

畫外音：可以認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)庫的“庫級別鎖”，優(yōu)化為“行級別鎖”。

不妨設(shè)driver_id是遞增生成的，并且假設(shè)內(nèi)存比較大，此時(shí)可以把Map優(yōu)化成Array，并把鎖的粒度細(xì)化到最細(xì)的，每個(gè)司機(jī)信息一個(gè)鎖：

void SetDriverInfo(long driver_id, DriverInfo info){

         index = driver_id;

         WriteLock (m_lock[index]);  //超級大內(nèi)存，一條記錄一個(gè)鎖，鎖行鎖

         Array[index]= info; //driver_id就是Array下標(biāo)

         UnWriteLock (m_lock[index]); // 解鎖行鎖

}

這個(gè)方案使得鎖沖突降到了最低，但鎖資源大增，在數(shù)據(jù)量非常大的情況下，內(nèi)存往往是裝不下的。

畫外音：數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候，可以一個(gè)元素一把鎖，典型的是連接池，每個(gè)連接用一把鎖表示連接是否可用。

還沒有方法進(jìn)一步降低鎖沖突，提升并發(fā)量呢？

寫多讀少的業(yè)務(wù)，有一種優(yōu)化方案：無鎖緩存，將鎖沖突降低到。

無鎖緩存，可能存在什么問題？

如果緩存不加鎖，讀寫吞吐量可以達(dá)到極限，但是多線程對緩存中同一塊定長數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作時(shí)，有可能出現(xiàn)不一致的臟數(shù)據(jù)。

這個(gè)方案為了提高性能，犧牲了一致性。

讀取時(shí)，獲取到了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，是不能接受的。

畫外音：作為緩存，允許cache miss，卻不允許讀臟數(shù)據(jù)。

臟數(shù)據(jù)是如何產(chǎn)生的？

不加鎖，在多線程并發(fā)寫時(shí)，可能出現(xiàn)以下情況：

線程1對緩存進(jìn)行操作，對key想要寫入value1；
線程2對緩存進(jìn)行操作，對key想要寫入value2；
不加鎖，線程1和線程2對同一個(gè)定長區(qū)域進(jìn)行一個(gè)并發(fā)的寫操作，可能每個(gè)線程寫成功一半，導(dǎo)致出現(xiàn)臟數(shù)據(jù)產(chǎn)生，最終的結(jié)果即不是value1也不是value2，而是一個(gè)亂七八糟的不符合預(yù)期的值value-unexpected；

如何解決上述問題呢？

本質(zhì)上，這是一個(gè)數(shù)據(jù)完整性問題。

并發(fā)寫入的數(shù)據(jù)分別是value1和value2，讀出的數(shù)據(jù)是value-unexpected，數(shù)據(jù)被篡改，這本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)完整性的問題。

通常如何保證數(shù)據(jù)的完整性呢？

例如：運(yùn)維如何保證，從中控機(jī)分發(fā)到上線機(jī)上的二進(jìn)制沒有被篡改？

md5。

又例如：即時(shí)通訊系統(tǒng)中，如何保證接受方收到的消息，就是發(fā)送方發(fā)送的消息？

發(fā)送方除了發(fā)送消息本身，還要發(fā)送消息的簽名，接收方收到消息后要校驗(yàn)簽名，以確保消息是完整的，未被篡改。

“簽名”是一種常見的保證數(shù)據(jù)完整性的方案。

加入“簽名”保證數(shù)據(jù)的完整性之后，讀寫流程需要如何升級？

加上簽名之后，不但緩存要寫入定長value本身，還要寫入定長簽名（例如16bitCRC校驗(yàn)）：

線程1對緩存進(jìn)行操作，對key想要寫入value1，寫入簽名v1-sign；
線程2對緩存進(jìn)行操作，對key想要寫入value2，寫入簽名v2-sign；
如果不加鎖，線程1和線程2對同一個(gè)定長區(qū)域進(jìn)行一個(gè)并發(fā)的寫操作，可能每個(gè)線程寫成功一半，導(dǎo)致出現(xiàn)臟數(shù)據(jù)產(chǎn)生，最終的結(jié)果即不是value1也不是value2，而是一個(gè)亂七八糟的不符合預(yù)期的值value-unexpected，但簽名，一定是v1-sign或者v2-sign中的任意一個(gè)；

畫外音：16bit/32bit的寫可以保證原子性。