LBS的瓶颈和方案

先看看基本的系统模型，如图1所示。

图1 系统模型示意图

1. 司机每隔几秒钟上报一次经纬度，存储在MongoDB里；
2. 乘客发单时，通过MongoDB圈选出附近司机；
3. 将订单通过长连接服务推送给司机；
4. 司机接单，开始服务。

MongoDB集群是一主多从的复制集方式，读写都很密集（4w+/s写、1w+/s读）时出现以下问题：

1. 从服务器CPU负载急剧上升；
2. 查询性能急剧降低（大量查询耗时超过800毫秒）；
3. 查询吞吐量大幅降低；
4. 主从复制出现较大的延迟。

原因是当时的MongoDB版本（2.6.4）是库级别的锁每次写都会锁库，还有每一次LBS查询会分解成许多单独的子查询，增大整个查询的锁等待概率。我们最后将全国分为4个大区，部署多个独立的MongoDB集群，每个大区的用户存储在对应的MongoDB集群里。

长连接服务稳定性

我们的长连接服务通过Socket接收客户端心跳、推送消息给乘客和司机。打车大战期间，长连接服务非常不稳定。

先说说硬件问题，现象是CPU的第一个核经常使用率100%，其他的核却非常空闲，系统吞吐量上不去，对业务的影响很大。经过较长时间排查，最终发现这是因为服务器用了单队列网卡，I/O中断都被分配到了一个CPU核上，大量数据包到来时，单个CPU核无法全部处理，导致LVS不断丢包连接中断。最后解决这个问题其实很简单，换成多队列网卡就行。

再看软件问题，长连接服务当时用Mina实现，Mina本身存在一些问题：内存使用控制粒度不够细、垃圾回收难以有效控制、空闲连接检查效率不高、大量连接时周期性CPU使用率飙高。快的打车的长连接服务特点是：大量的广播、消息推送具有不同的优先级、细粒度的资源监控。最后我们用AIO重写了这个长连接服务框架，彻底解决了这个问题。主要有以下特性：

1. 针对快的场景定制开发；
2. 资源（主要是ByteBuffer）池化，减少GC造成的影响；
3. 广播时，一份ByteBuffer复用到多个通道，减少内存拷贝；
4. 使用TimeWheel检测空闲连接，消除空闲连接检测造成的CPU尖峰；
5. 支持按优先级发送数据。

其实Netty已经实现了资源池化和TimeWheel方式检测空闲连接，但无法做到消息优先级区分和细粒度监控，这也算是快的自身的定制特性吧，通用的通信框架确实不好满足。选用AIO方式仅仅是因为AIO的编程模型比较简单而已，其实底层的性能并没有多大差别。

系统分布式改造

快的打车最初只有两个系统，一个提供HTTP服务的Web系统，一个提供TCP长连接服务的推送系统，所有业务运行在这个Web系统里，代码量非常庞大，代码下载和编译都需要花较长时间。

业务代码都混在一起，频繁的日常变更导致并行开发的分支非常多，测试和代码合并以及发布验证的效率非常低下，常常一发布就通宵。这种情况下，系统的伸缩性和扩展性非常差，关键业务和非关键业务混在一起，互相影响。

因此我们Web系统做了拆分，将整个系统从上往下分为3个大的层次：业务层、服务层以及数据层。

我们在拆分的同时，也仔细梳理了系统之间的依赖。对于强依赖场景，用Dubbo实现了RPC和服务治理。对于弱依赖场景，通过RocketMQ实现。Dubbo是阿里开源的框架，在阿里内部和国内大型互联网公司有广泛的应用，我们对Dubbo源码比较了解。RocketMQ也是阿里开源的，在内部得到了非常广泛的应用，也有很多外部用户，可简单将RocketMQ理解为Java版的Kafka，我们同样也对RocketMQ源码非常了解，快的打车所有的消息都是通过RocketMQ实现的，这两个中间件在线上运行得非常稳定。

借着分布式改造的机会，我们对系统全局也做了梳理，建立研发流程、代码规范、SQL规范，梳理链路上的单点和性能瓶颈，建立服务降级机制。

无线开放平台

当时客户端与服务端通信面临以下问题。

1. 每新增一个业务请求，Web工程就要改动发布。
2. 请求和响应格式没有规范，导致服务端很难对请求做统一处理，而且与第三方集成的方式非常多，维护成本高。
3. 来多少请求就处理多少，根本不考虑后端服务的承受能力，而某些时候需要对后端做保护。
4. 业务逻辑比较分散，有的在Web应用里，有的在Dubbo服务里。提供新功能时，工程师关注的点比较多，增加了系统风险。
5. 业务频繁变化和快速发展，文档无法跟上，最后没人能说清到底有哪些协议，协议里的字段含义。

针对这些问题，我们设计了快的无线开放平台KOP，以下是一些大的设计原则。

1. 接入权限控制 
   为接入的客户端分配标示和密钥，密钥由客户端保管，用来对请求做数字签名。服务端对客户端请求做签名校验，校验通过才会执行请求。

2. 流量分配和降级 
   同样的API，不同接入端的访问限制可以不一样。可按城市、客户端平台类型做ABTest。极端情况下，优先保证核心客户端的流量，同时也会优先保证核心API的服务能力，例如登录、下单、接单、支付这些核心的API。被访问被限制时，返回一个限流错误码，客户端根据不同场景酌情处理。

3. 流量分析 
   从客户端、API、IP、用户多个维度，实时分析当前请求是否恶意请求，恶意的IP和用户会被冻结一段时间或永久封禁。

4. 实时发布 
   上线或下线API不需要对KOP进行发布，实时生效。当然，为了安全，会有API的审核机制。

5. 实时监控 
   能统计每个客户端对每个API每分钟的调用总量、成功量、失败量、平均耗时，能以分钟为单位查看指定时间段内的数据曲线，并且能对比历史数据。当响应时间或失败数量超过阈值时，系统会自动发送报警短信。

实时计算与监控

我们基于Storm和HBase设计了自己的实时监控平台，分钟级别实时展现系统运行状况和业务数据（架构如图2所示），包含以下几个主要部分。

图2 监控系统架构图

1. 核心计算模型 
   求和、求平均、分组。

2. 基于Storm的实时计算 
   Storm的逻辑并不复杂，只有两个Bolt，一个将一条日志解析成KV对，另外一个基于KV和设定的规则进行计算。每隔一分钟将数据写入RocketMQ。

3. 基于HBase的数据存储 
   只有插入没有更新，避免了HBase行锁竞争。rowkey是有序的，因为要根据维度和时间段查询，这样会形成HBase Region热点，导致写入比较集中，但是没有性能问题，因为每个维度每隔1分钟定时插入，平均每秒的插入很少。即使前端应用的日志量突然增加很多，HBase的插入频度仍然是稳定的。

4. 基于RocketMQ的数据缓冲 
   收集的日志和Storm计算的结果都先放入MetaQ集群，无论Storm集群还是存储节点，发生故障时系统仍然是稳定的，不会将故障放大；即使有突然的流量高峰，因为有消息队列做缓冲，Storm和HBase仍然能以稳定的TPS处理。这些都极大的保证了系统的稳定性。RocketMQ集群自身的健壮性足够强，都是物理机。SSD存储盘、高配内存和CPU、Broker全部是M/S结构。可以存储足够多的缓冲数据。

某个系统的实时业务指标（关键数据被隐藏），见图3。

图3 某个业务系统大盘截图

数据层改造

随着业务发展，单数据库单表已经无法满足性能要求，特别是发券和订单，我们选择在客户端分库分表，自己做了一个通用框架解决分库分表的问题。但是还有以下问题：

1. 数据同步 
   快的原来的数据库分为前台库和后台库，前台库给应用系统使用，后台库只供后台使用。不管前台应用有多少库，后台库只有一个，那么前台的多个库多个表如何对应到后台的单库单表？MySQL的复制无法解决这个问题。

2. 离线计算抽取 
   还有大数据的场景，大数据同事经常要dump数据做离线计算，都是通过Sqoop到后台库抽数据，有的复杂SQL经常会使数据库变得不稳定。而且，不同业务场景下的Sqoop会造成数据重复抽取，给数据库添加了更多的负担。

我们最终实现了一个数据同步平台，见图4。

图4 数据同步平台架构图

1. 数据抽取用开源的canal实现，MySQL binlog改为Row模式，将canal抽取的binlog解析为MQ消息，打包传输给MQ；
2. 一份数据，多种消费场景，之前是每种场景都抽取一份数据；
3. 各个消费端不需要关心MySQL，只需要关心MQ的Topic；
4. 支持全局有序，局部有序，并发乱序；
5. 可以指定时间点回放数据；
6. 数据链路监控、报警；
7. 通过管理平台自动部署节点。

分库分表解决了前台应用的性能问题，数据同步解决了多库多表归一的问题，但是随着时间推移，后台单库的问题越来越严重，迫切需要一种方案解决海量数据存储的问题，同时又要让现有的上层应用不会有太大改动。因此我们基于HBase和数据同步设计了实时数据中心，如图5所示。

图5 实时数据中心架构图

1. 将前台MySQL多库多表通过同步平台，都同步到了HBase；
2. 为减少后台应用层的改动，设计了一个SQL解析模块，将SQL查询转换为HBase查询；

3. 支持二级索引。 
   说说二级索引，HBase并不支持二级索引，对它而言只有一个索引，那就是Rowkey。如果要按其它字段查询，那就要为这些字段建立与Rowkey的映射关系，这就是所谓的二级索引。HBase二级索引可以通过Coprocessor在数据插入之前执行一段代码，这段代码运行在HBase服务端（Region Server），可以让这段代码负责插入二级索引。实时数据中心的二级索引是在客户端负责插入的，并没有使用Coprocessor，主要原因是Coprocessor不容易实现索引的批量插入，而批量插入，实践证明，是提升HBase插入性能非常有效的手段。二级索引的应用其实还有些条件，如下：

4. 排序 
   在HBase中，只有一种排序，就是按Rowkey排序，因此，在建立索引的时候，实际上就定死了将来查询结果的排序。某个索引字段的reverse属性为true，则按这个字段倒序排序，否则正序排序。

5. 打散 
   单调变化的Rowkey读写压力很难均匀分布到多个Region上，而打散将会使读写均匀分布到多个Region，因此提升了读写性能。但打散也有局限性，主要的是，经过打散的字段将无法支持范围查询。而且，hash和reverse这两个属性是互斥的，且hash优先级高，就是说一旦设置了hash=true，则会忽略reverse这个属性。
6. 串联 
   另外需要特别强调的是，索引配置也影响到多表归一，作为“串联”的字段，必须建立唯一索引，如果串联字段上没有建立唯一索引，将无法完成多表归一。

我们还实现了一套将SQL语句转换成HBase API的引擎，可以通过SQL语句直接操作HBase。这里需要指出的是HSQL引擎和Hive是不同的，Hive主要用于将SQL语句转换成Hadoop的Map/Reduce任务，当然也可以转换成HBase的查询。但Hive无法利用二级索引（HBase本来就不存在二级索引这个概念），Hive主要面向的是大批量、低频度、高延迟、顺序读的访问场景，而HSQL可以有效利用二级索引，它面向的是小批量、高频度、低延迟、随机读的访问场景。