一、關(guān)系鏈業(yè)務(wù)簡介

從主站業(yè)務(wù)角度來看，關(guān)系鏈指的是用戶A與用戶B的關(guān)注關(guān)系。以關(guān)注屬性細(xì)分，以關(guān)注（訂閱）為主，還涉及拉黑、悄悄關(guān)注、互相關(guān)注、特別關(guān)注等多種屬性或狀態(tài)。目前主站關(guān)系鏈量級較大，且還以較快速度持續(xù)增長。作為一個(gè)平臺型的業(yè)務(wù)，關(guān)系鏈服務(wù)對外提供一對多關(guān)系點(diǎn)查、全量關(guān)系列表、關(guān)系計(jì)數(shù)等基礎(chǔ)查詢，綜合查詢峰值QPS近百萬，被動態(tài)、評論等核心業(yè)務(wù)依賴。

在持續(xù)增長的數(shù)據(jù)量和查詢請求的趨勢下，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、保持服務(wù)高可用是關(guān)系鏈架構(gòu)演進(jìn)的核心目標(biāo)。

（圖：關(guān)系鏈在空間頁的業(yè)務(wù)場景）

（圖：關(guān)系鏈狀態(tài)機(jī)）

二、事務(wù)瓶頸——存儲的演進(jìn)

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫

關(guān)注的寫事件對應(yīng)的就是單純的狀態(tài)屬性流轉(zhuǎn)，所以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是非常適合的。在主站社區(qū)發(fā)展的早期，關(guān)系鏈量級較少，直接使用mysql有著天然的優(yōu)勢：開發(fā)維護(hù)簡單、邏輯清晰，只需要直接維護(hù)一張關(guān)系表、一張計(jì)數(shù)表即可滿足線上使用?？紤]到社區(qū)的發(fā)展速度，前人的設(shè)計(jì)分別采用了分500表（關(guān)系表）和50表（計(jì)數(shù)表）來分散壓力。

（圖：關(guān)系表的結(jié)構(gòu)示例）

（圖：計(jì)數(shù)表的結(jié)構(gòu)示例）

在這種存儲結(jié)構(gòu)下，以一次mid新增關(guān)注fid請求為例，mysql需要以事務(wù)執(zhí)行下述操作：

• 查詢mid的計(jì)數(shù)并加鎖，查詢fid的計(jì)數(shù)并加鎖；
• 查詢mid->fid的關(guān)系并加鎖，查詢fid->mid的關(guān)系并加鎖；
• 根據(jù)狀態(tài)機(jī)，在內(nèi)存計(jì)算新關(guān)系后，修改mid->fid的關(guān)系，修改fid->mid的關(guān)系（若有，比如由單向關(guān)注變?yōu)榛リP(guān)）；
• 修改mid的關(guān)注數(shù)，修改fid的粉絲數(shù)；

這種架構(gòu)一直保持到2021年，隨著社區(qū)的不斷發(fā)展壯大，架構(gòu)的缺點(diǎn)也日益顯現(xiàn)：一方面，即使做了分表，關(guān)系鏈數(shù)據(jù)整體規(guī)模仍然超出了建議的整體存儲容量（目前已經(jīng)TB級）；另一方面，繁重的事務(wù)導(dǎo)致mysql無法支撐很高的寫流量，在原始的同步寫架構(gòu)下，表現(xiàn)就是關(guān)注失敗率變高；如果只是單純地升級到異步寫架構(gòu)，表現(xiàn)就是消息積壓，當(dāng)消息積壓持續(xù)時(shí)間超過臨時(shí)緩存有效期時(shí)，會引起客訴，治標(biāo)不治本。

（圖：使用mysql作為核心存儲的“同步”寫關(guān)系流程圖）

KV存儲

*關(guān)于B站自研分布式KV存儲的介紹可以參閱：B站分布式KV存儲實(shí)踐

最終決定使用的升級方案是：數(shù)據(jù)存儲從mysql遷移到KV存儲，邏輯方面把”同步寫mysql“改為”異步寫KV“。未選擇”同步寫KV“的原因，一方面是一條關(guān)系對應(yīng)著多條KV記錄，而KV不支持事務(wù)；另一方面是異步的架構(gòu)可以扛住可能存在的瞬時(shí)大量關(guān)注請求。為了兼容訂閱了mysql binlog的業(yè)務(wù)，在“異步寫KV”之后還會”異步寫mysql“。

在新架構(gòu)下，對于每一次用戶關(guān)注請求，投遞databus即視為請求成功，mysql binlog只提供給一些對實(shí)時(shí)性不太敏感的業(yè)務(wù)方（如數(shù)據(jù)平臺），所以對于異步寫mysql事件的偶爾的輕微積壓我們并不需要關(guān)心，而對實(shí)時(shí)性要求比較高的業(yè)務(wù)方，我們在處理完異步寫KV事件后，會投遞了databus供這些業(yè)務(wù)訂閱。

（圖：使用KV作為核心存儲、mysql冗余存儲的異步寫關(guān)系流程圖）

KV存儲最大的優(yōu)勢在于，底層能提供計(jì)數(shù)（count）方法以替代冗余的mysql計(jì)數(shù)表，這樣的好處是，我們只需要維護(hù)一張單純保存關(guān)系的KV表即可。我們設(shè)計(jì)的存儲結(jié)構(gòu)是：

• key為{attr|mid}fid，attr為關(guān)系拉鏈類型，mid和fid都表示用戶id，{attr|mid}表示拼接attr和mid作為hash，該hash下的多個(gè)fid將按照字典序存儲，結(jié)合KV服務(wù)提供的拉鏈遍歷方法（scan），可以獲取該hash下的所有的fid；
• value為結(jié)構(gòu)體，包含了attribute（關(guān)系屬性）和mtime（修改時(shí)間）；

attr和attribute容易混淆，兩者的區(qū)別如下：

• key中的attr為關(guān)系拉鏈類型，一共有5類（3類正向關(guān)系，2類反向關(guān)系）：ATTR_WHISPER表示悄悄關(guān)注類（mid悄悄關(guān)注了fid），ATTR_FOLLOW表示關(guān)注類（mid關(guān)注了fid），ATTR_BLACK表示拉黑類（mid拉黑了fid），ATTR_WHISPERED表示被悄悄關(guān)注類（mid被fid悄悄關(guān)注了），ATTR_FOLLOWED表示被關(guān)注類（mid被fid關(guān)注了）。對用戶來說，各類列表和關(guān)系鏈類型的映射關(guān)系如下：

關(guān)注列表：根據(jù)產(chǎn)品需求的不同，大部分時(shí)候指關(guān)注類關(guān)系鏈（attr=ATTR_FOLLOW），有些場景也會加上悄悄關(guān)注類關(guān)系鏈（attr=ATTR_WHISPER）；

粉絲列表：被悄悄關(guān)注類關(guān)系鏈（attr=ATTR_WHISPERED）和被關(guān)注類關(guān)系鏈（attr=ATTR_FOLLOWED）的合集；

黑名單列表：拉黑類關(guān)系鏈（attr=ATTR_BLACK）。

• value中的attribute表示當(dāng)前的關(guān)系屬性，一共有4種：WHISPER表示悄悄關(guān)注、FOLLOW表示關(guān)注、FRIEND表示互相關(guān)注、BLACK表示拉黑。這里和前文的attr較易混淆，它們之間完整的映射關(guān)系如下：

attr=ATTR_WHISPER或ATTR_WHISPERED下可以有attribute=WHISPER；

attr=ATTR_FOLLOW或ATTR_FOLLOWED下可以有attribute=FOLLOW或者FRIEND；

attr=ATTR_BLACK下可以有attribute=BLACK。

midA的五種關(guān)系拉鏈如圖：

（圖：midA的五種關(guān)系拉鏈）

綜上所述，升級到KV存儲后，讀操作相對來說并沒有很復(fù)雜：

• 如果要正向查詢mid與fid的關(guān)系，只需要點(diǎn)查（get、batch_get）遍歷3種正向attr；
• 如果要查詢?nèi)筷P(guān)注關(guān)系、黑名單，只需要找對應(yīng)attr分別執(zhí)行scan；
• 如果要查詢用戶計(jì)數(shù)，只需要count對應(yīng)的attr即可；

稍微復(fù)雜一點(diǎn)的邏輯在于關(guān)系的寫入：

• mysql有事務(wù)來保證原子性，而kv存儲并不支持事務(wù)。而對于用戶的請求而言，投遞databus即算關(guān)注成功，那么在異步處理這條消息時(shí)，需要100%保障成功寫入，因此我們在處理異步消息時(shí)，對每個(gè)寫入操作都加上了失敗無限重試的邏輯。
• 極端情況下，還可能會遇到寫入沖突問題：比如某個(gè)時(shí)間點(diǎn)用戶A關(guān)注了用戶B，”同時(shí)“用戶B關(guān)注了用戶A，此時(shí)就可能會引發(fā)一些意想不到的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（因?yàn)閱蜗蜿P(guān)注和互關(guān)是兩個(gè)不同的屬性，任一方的關(guān)注行為都會影響這個(gè)屬性）。為了避免這種情況出現(xiàn)，我們利用了消息隊(duì)列同一個(gè)key下數(shù)據(jù)的有序特性，通過保證同一對用戶分配到一個(gè)key，保證了同一對用戶的操作是有序執(zhí)行的。

還是以mid新增關(guān)注fid為例，對于每一條關(guān)注事件：

• job需要先put一條正向關(guān)注關(guān)系，然后進(jìn)行上限校驗(yàn)，如果超過上限那么回滾退出；
• 然后批量put因本次關(guān)注動作所影響的所有其他反向attr，比如mid的被關(guān)注關(guān)系（attr=ATTR_WHISPERED）、fid的關(guān)注關(guān)系（attr=ATTR_FOLLOW，若有，比如由單向關(guān)注變?yōu)榛リP(guān)）；
• 上述任何一個(gè)put操作失敗了，都需要重試；直到這些動作都完成了，那么認(rèn)為此次關(guān)注事件成功；
• 投遞databus，告知訂閱方發(fā)生了關(guān)注事件；
• 投遞異步寫mysql事件，把關(guān)注事件同步mysql，產(chǎn)出binlog供訂閱方使用。

三、快速增長——緩存的迭代

存儲層緩存memcached

線上查詢請求中，有一定比例是查詢?nèi)筷P(guān)注列表、全量黑名單。上一節(jié)中提到，為了不冗余存儲一份關(guān)系鏈計(jì)數(shù)，KV的存儲設(shè)計(jì)得比較特殊，一個(gè)用戶的正向關(guān)注關(guān)系分布在3個(gè)不同的attr（即3個(gè)不同的關(guān)系拉鏈）里。如果想從KV存儲拉取一個(gè)用戶的全量關(guān)系列表，那么同時(shí)需要分別對3種正向關(guān)系拉鏈都做循環(huán)scan（因?yàn)槊看蝧can有數(shù)量上限），但由于scan方法性能相對較差，所以需要在KV存儲的上層加一套緩存，通過降低回源比例嚴(yán)格控制scan QPS。

鑒于memcached對大key有比較好的性能，前人在KV存儲的上層加了一個(gè)memcached緩存，用于存儲用戶的全量關(guān)系列表，具體業(yè)務(wù)流程如下：

（圖：全量關(guān)系列表的查詢業(yè)務(wù)流程）

從高峰時(shí)期的緩存回源數(shù)據(jù)來看，memcached為KV存儲抵擋住了97%-99%的請求，只有不到6K的QPS會miss緩存，效果比較明顯。

（圖：memcached的QPS和緩存回源率）

查詢層緩存hash

除了關(guān)注列表的請求外，很大一部分請求是一對多的點(diǎn)查關(guān)系（查詢用戶和其他一個(gè)或多個(gè)用戶的關(guān)系），如果每次都從memcached拉全量關(guān)系列表然后內(nèi)存中取交集，網(wǎng)絡(luò)的開銷會非常大，因此對這種查詢場景，也需要設(shè)計(jì)一套適用于點(diǎn)查的緩存。

活躍用戶的關(guān)注數(shù)一般都在幾十到幾百的區(qū)間，用于點(diǎn)查的緩存不需要嚴(yán)格有序，但要支持指定hashkey的查詢，redis hash和其提供的hget、hmget、hset、hmset方法都是非常適合這一場景的。因此查詢層緩存設(shè)計(jì)如下：key為mid，hashkey為mid有關(guān)系的每一個(gè)用戶id，value為他們的關(guān)系數(shù)據(jù)，和前面midA在KV存儲的數(shù)據(jù)對應(yīng)如下：

（圖：redis hash緩存中關(guān)注關(guān)系的存儲結(jié)構(gòu)）

由于hash里保存的是midA的全部正向關(guān)注關(guān)系，當(dāng)緩存miss需要回源時(shí)，要獲取全量關(guān)注關(guān)系，可以和前面的memcached配合使用，業(yè)務(wù)流程如下：

（圖：redis hash架構(gòu)下的一對多關(guān)系的查詢業(yè)務(wù)流程）

基于這套緩存，點(diǎn)查一對一、一對多關(guān)注關(guān)系的接口耗時(shí)平均基本維持在1ms，且hash的命中率能達(dá)到70%-75%，因此目前能比較輕松地支持近百萬的QPS，并隨著redis集群的橫向擴(kuò)展，可以支持更多的業(yè)務(wù)請求。

（圖：redis hash緩存的QPS和緩存回源率）

查詢層緩存kv（一次看似失敗的嘗試）

到2022年下半年，一方面產(chǎn)品提出“我關(guān)注的xx也關(guān)注了ta”需求，此類二度關(guān)系的查詢在hash架構(gòu)下是非常吃力的：

• 由于hash只存儲了正向的關(guān)系查詢，需要先獲取”我“的關(guān)注列表，然后遍歷查詢關(guān)注列表中每個(gè)人和ta的關(guān)注關(guān)系；
• 由于”我“的關(guān)注列表中很多是非活躍用戶，因此很難命中hash、memcached緩存，也就意味著每次請求都會批量并發(fā)回源KV存儲。再加上推薦側(cè)能留給關(guān)系鏈服務(wù)計(jì)算的時(shí)間非常短，當(dāng)這一次請求超時(shí)被cancel，屬于這次請求的回源KV存儲的scan操作就會被全部cancel，所在實(shí)例就會觸發(fā)rpc熔斷事件告警，帶來了大量的告警噪音（因?yàn)榧词怪皇且粋€(gè)請求超時(shí)，rpc錯(cuò)誤量是那一個(gè)請求下并發(fā)回源scan的個(gè)數(shù)）。

（圖：切換架構(gòu)前后的KV存儲 scan操作RPC錯(cuò)誤數(shù)情況）

另一方面，產(chǎn)品提出放開關(guān)注上限的想法，我們考慮在此類需求上線后，高關(guān)注量的用戶會越來越多，甚至部分用戶會在功能上線后迅速把關(guān)注拉滿，hash結(jié)構(gòu)的缺陷和風(fēng)險(xiǎn)也會日漸顯現(xiàn)。其風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于：當(dāng)同一個(gè)redis實(shí)例有多個(gè)高關(guān)注量的用戶miss緩存、觸發(fā)回源、hmset回填緩存時(shí)，持續(xù)性的高寫入QPS可能會讓redis cpu利用率打滿（比如每秒2個(gè)用戶需要回填緩存，且他們的關(guān)系列表5000個(gè)，實(shí)際寫入QPS是1萬）。

在上述大背景下，經(jīng)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部討論，我們先引入了redis kv結(jié)構(gòu)緩存，希望能一步到位、通過簡單緩存直接替換hash，key為用戶A和用戶B的用戶id，value為用戶A與用戶B的關(guān)系，示例如下：

（圖：redis kv緩存中關(guān)注關(guān)系的存儲結(jié)構(gòu)）

在這個(gè)緩存結(jié)構(gòu)下，回源KV存儲就只需要點(diǎn)查了，因?yàn)镵V存儲點(diǎn)查操作（get、batch_get）的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于scan操作，同時(shí)為了減少對memcached的依賴，因此當(dāng)redis kv緩存miss時(shí)，我們直接回源KV存儲執(zhí)行點(diǎn)查（get、batch_get），然后回填緩存，流程圖如下：

（圖：redis kv架構(gòu)下的一對多關(guān)系的查詢業(yè)務(wù)流程）

我們灰度了2%的用戶，發(fā)現(xiàn)kv結(jié)構(gòu)緩存的命中率逐漸收斂在60%，而且緩存內(nèi)存的使用率和key的數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。這意味著有40%的請求會miss緩存并回源到kv，在百萬QPS的壓力下，這明顯是不能接受的。分析miss緩存的請求后，我們發(fā)現(xiàn)主要的業(yè)務(wù)來源是評論，其大部分請求的返回是“無關(guān)系”，即評論場景會查詢大量陌生人的關(guān)注關(guān)系，那么空哨兵會特別多且大部分不會被二次訪問到（對于一個(gè)用戶而言，空哨兵的數(shù)量可以認(rèn)為是他看的評論用戶數(shù)），這也就能對單kv結(jié)構(gòu)緩存的表現(xiàn)做出合理解釋了。

查詢層緩存bloom_filter+kv

對于大量空哨兵場景，在上面套一層布隆過濾器是一個(gè)公認(rèn)比較合理的方案。我們決定對每一個(gè)用戶維護(hù)一個(gè)布隆過濾器，先把存量的所有關(guān)系鏈都添加到布隆過濾器，并消費(fèi)新的寫關(guān)系事件并更新布隆過濾器，使其作為一個(gè)常駐緩存過濾器。命中布隆過濾器有三種可能：

1. 現(xiàn)在有關(guān)系
2. 曾經(jīng)有過關(guān)系，但現(xiàn)在沒關(guān)系
3. 一直沒有過關(guān)系，但哈希碰撞到前面兩種情況

命中布隆過濾器的才會走到下層的kv緩存，這樣就解決了絕大部分空哨兵的問題了，具體流程圖如下：

（圖：bloom filter + redis kv架構(gòu)下的一對多關(guān)系的查詢業(yè)務(wù)流程）

目前關(guān)系鏈場景已經(jīng)100%流量切到布隆的新架構(gòu)下，布隆的命中率達(dá)到了80%+，hash的老架構(gòu)正在灰度下線，這一技改不僅解決了關(guān)系鏈上限放開可能帶來的問題、二度關(guān)系告警噪音問題、難以支持類似”多對一“的反向查詢的問題，預(yù)計(jì)還能節(jié)省一部分緩存資源。

四、風(fēng)險(xiǎn)來臨——熱點(diǎn)的容災(zāi)

關(guān)系鏈的主要場景還是查詢“用戶A”與其他用戶的關(guān)注關(guān)系。在同一時(shí)刻的請求里，當(dāng)“用戶A”的請求分散時(shí)，對Redis的壓力會被均攤到集群的幾十臺實(shí)例上，此時(shí)系統(tǒng)所能承受的最大壓力等于集群中每一個(gè)實(shí)例之和；而在極端情況下，如果“用戶A”集中在少數(shù)幾個(gè)用戶上，那么壓力都會集中在Redis的少數(shù)幾臺實(shí)例上，木桶短板效應(yīng)就會非常明顯。

回到去年的某次熱點(diǎn)場景，流量都集中在環(huán)球網(wǎng)等熱門up的動態(tài)詳情頁或稿件播放頁上，而這些頁面依賴實(shí)時(shí)查詢up主與各個(gè)評論人的關(guān)注關(guān)系，當(dāng)同一時(shí)刻大量用戶加載評論時(shí)，即形成了該up主的查詢熱點(diǎn)。

當(dāng)時(shí)關(guān)系鏈服務(wù)的架構(gòu)對于熱點(diǎn)的處理是相對滯后的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)up主（或已在事前知曉熱點(diǎn)up主）時(shí)，會手動將其配置到熱點(diǎn)名單中。對于熱點(diǎn)用戶，在請求Redis前會先查詢本地Localcache（Localcache中存儲的up主關(guān)系列表數(shù)據(jù)，隔十幾秒更新一次）。雖然在這十幾秒內(nèi)可能會存在數(shù)據(jù)不一致的情況，但從實(shí)際業(yè)務(wù)角度看，引發(fā)熱點(diǎn)請求的都是大up主，這些up主的關(guān)系列表較少發(fā)生變動，因此幾乎不會對用戶體驗(yàn)造成影響。

當(dāng)天晚上熱點(diǎn)請求發(fā)生時(shí)，隨著用戶的增長，Redis集群幾個(gè)實(shí)例的CPU使用率逐步突破了70%，個(gè)別實(shí)例甚至突破了90%。

(圖：熱點(diǎn)事件當(dāng)時(shí)的Redis單實(shí)例CPU使用率告警)

由于缺少熱點(diǎn)探測能力，運(yùn)維人員看到告警后，需要人工抓取當(dāng)前的熱點(diǎn)Key（在Redis實(shí)例CPU利用率已經(jīng)幾乎被打滿的前提下，直連實(shí)例統(tǒng)計(jì)Key是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的操作），然后手動配置入庫，隨后Redis的壓力就直線下降。為了避免可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)又逐步把其他官媒號臨時(shí)加到熱點(diǎn)用戶名單中，關(guān)系鏈服務(wù)算是有驚無險(xiǎn)地度過此次流量高峰。

(圖：配置本地緩存前后單實(shí)例Redis QPS)

事后，業(yè)務(wù)架構(gòu)提供了熱點(diǎn)檢測工具，接入后能基于配置的閾值，自動地統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)并臨時(shí)性地使用本地緩存；在今年年初，熱點(diǎn)檢測工具和本地緩存sdk融合在了一起（*另一個(gè)本地緩存例子可以看這篇文章：B站動態(tài)outbox本地緩存優(yōu)化），熱點(diǎn)自動檢測與自動降級變得更加便捷，業(yè)務(wù)側(cè)只需要簡單修改本地緩存類型，即可低代碼擁有防熱點(diǎn)能力。經(jīng)過英雄聯(lián)盟S12和拜年祭的驗(yàn)證，關(guān)系鏈服務(wù)在上述活動期間各指標(biāo)都比較平穩(wěn)。

（圖：某天中午被自動感知到并緩存的熱key數(shù)量監(jiān)控）

五、長遠(yuǎn)規(guī)劃——關(guān)系的延伸

如何使用關(guān)系鏈能力賦能上層業(yè)務(wù)、如何讓關(guān)系鏈基礎(chǔ)服務(wù)更加靠譜，也是我們持續(xù)需要思考的問題，中期來看，還是有很多方向可以發(fā)力，這里僅列出幾個(gè)方向：

• 賦能業(yè)務(wù)：以多租戶的方式，通過關(guān)系鏈服務(wù)現(xiàn)有的一套代碼，可以提供基礎(chǔ)關(guān)系能力（關(guān)注/訂閱、取消關(guān)注/訂閱、關(guān)注列表、粉絲列表）給新的業(yè)務(wù)體系快速接入，避免二次開發(fā)。
• 賦能社區(qū)：如何讓關(guān)系鏈這個(gè)平臺服務(wù)更通用，可以嘗試把關(guān)系的對象泛化，比如在動態(tài)feed場景，整合用戶的泛訂閱關(guān)系場景（如up主、合集、漫畫、番劇、課堂等）。
• 穩(wěn)定性提升：關(guān)系鏈服務(wù)接入業(yè)務(wù)方眾多，通過0信任、100%配置quota的方式，避免業(yè)務(wù)間互相干擾，尤其避免普通業(yè)務(wù)流量暴漲影響核心業(yè)務(wù)。

參考閱讀

• B站分布式KV存儲實(shí)踐
• B站動態(tài)outbox本地緩存優(yōu)化
• TAO-Facebook的社交圖分布式數(shù)據(jù)存儲：https://www.usenix.org/system/files/conference/atc13/atc13-bronson.pdf

本期作者

劉鎏

嗶哩嗶哩高級開發(fā)工程師