經(jīng)典系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析：票務(wù)系統(tǒng)深度解析
隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，票務(wù)系統(tǒng)也在不斷升級(jí)，比如實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)支付、電子票據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)功能。此外，許多票務(wù)系統(tǒng)還引入了人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，用于精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)、個(gè)性化推薦和風(fēng)險(xiǎn)管理。
然而，票務(wù)系統(tǒng)也存在一些挑戰(zhàn)，如如何保護(hù)用戶(hù)隱私，如何防止票務(wù)欺詐，以及如何提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)等。因此，票務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)需要考慮到這些問(wèn)題，并持續(xù)改進(jìn)和升級(jí)。
項(xiàng)目簡(jiǎn)介：大麥網(wǎng)是中國(guó)的領(lǐng)先在線(xiàn)票務(wù)平臺(tái)，提供多樣化的活動(dòng)票務(wù)，如音樂(lè)會(huì)、戲劇和體育賽事等。主要功能包括活動(dòng)搜索、在線(xiàn)購(gòu)票、電子票務(wù)、實(shí)時(shí)座位選擇、退換票服務(wù)以及支付接口。其智能推薦系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)興趣推送相關(guān)活動(dòng)，為用戶(hù)提供方便、快捷的一站式購(gòu)票體驗(yàn)。
類(lèi)似的產(chǎn)品有：貓眼娛樂(lè)、永樂(lè)票務(wù)、bookmyshow.com、ticketmaster.com
難度級(jí)別：困難
1、什么是在線(xiàn)電影票預(yù)訂系統(tǒng)
電影票預(yù)訂系統(tǒng)為其客戶(hù)提供在線(xiàn)購(gòu)買(mǎi)影院座位的能力。電子票務(wù)系統(tǒng)允許客戶(hù)瀏覽當(dāng)前正在上映的電影，并在任何地方任何時(shí)候預(yù)訂座位。
2、系統(tǒng)的需求和目標(biāo)
我們的票務(wù)預(yù)訂服務(wù)應(yīng)滿(mǎn)足以下需求：
功能需求：
- 我們的票務(wù)預(yù)訂服務(wù)應(yīng)能列出其聯(lián)盟影院所在的不同城市。
- 用戶(hù)選擇城市后，服務(wù)應(yīng)顯示該特定城市已經(jīng)上映的電影。
- 用戶(hù)選擇電影后，服務(wù)應(yīng)顯示正在放映該電影的影院及其可用的放映時(shí)間。
- 用戶(hù)應(yīng)能選擇在特定影院的一場(chǎng)放映并預(yù)訂他們的票。
- 服務(wù)應(yīng)能向用戶(hù)展示影院大廳的座位布局。用戶(hù)應(yīng)能根據(jù)他們的喜好選擇多個(gè)座位。
- 用戶(hù)應(yīng)能從已預(yù)訂的座位中區(qū)分出可用的座位。
- 用戶(hù)應(yīng)能在付款以完成預(yù)訂之前，將座位保留五分鐘。
- 如果有可能座位會(huì)變得可用，例如，當(dāng)其他用戶(hù)的保留到期時(shí)，用戶(hù)應(yīng)能等待。
- 等待的客戶(hù)應(yīng)以公平的、先到先得的方式服務(wù)。
非功能性需求：
- 系統(tǒng)需要具有高度并發(fā)性。在任何特定時(shí)間點(diǎn)，都會(huì)有多個(gè)對(duì)同一座位的預(yù)訂請(qǐng)求。服務(wù)應(yīng)能優(yōu)雅且公平地處理這一情況。
- 服務(wù)的核心是票務(wù)預(yù)訂，也就意味著涉及到財(cái)務(wù)交易。這意味著系統(tǒng)應(yīng)具有安全性，并且數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)遵守ACID（原子性、一致性、隔離性、持久性）原則。
3、一些設(shè)計(jì)考慮
- 為了簡(jiǎn)便，我們假設(shè)我們的服務(wù)不需要任何用戶(hù)認(rèn)證。
- 系統(tǒng)將不處理部分票務(wù)訂單。用戶(hù)要么獲得他們想要的所有票，要么一張也得不到。 系統(tǒng)必須公平。
- 為了阻止系統(tǒng)被濫用，我們可以限制用戶(hù)一次預(yù)訂不超過(guò)十個(gè)座位。
- 我們可以假設(shè)在熱門(mén)/備受期待的電影上映時(shí)，流量會(huì)激增，座位會(huì)很快被預(yù)訂完。
- 系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性和高可用性，以應(yīng)對(duì)流量激增。
4、容量估計(jì)
流量估計(jì)：我們假設(shè)我們的服務(wù)每月有30億次頁(yè)面瀏覽，每月售出1000萬(wàn)張電影票。
存儲(chǔ)估計(jì)：假設(shè)我們有500個(gè)城市，平均每個(gè)城市有10家影院。如果每個(gè)影院有2000個(gè)座位，平均每天有兩場(chǎng)放映。
我們假設(shè)每個(gè)座位預(yù)訂需要50字節(jié)（ID、NumberOfSeats、ShowID、MovieID、SeatNumbers、SeatStatus、Timestamp 等）存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。我們還需要存儲(chǔ)關(guān)于電影和影院的信息；我們假設(shè)它會(huì)需要50字節(jié)。所以，要存儲(chǔ)所有城市的所有影院的所有放映的所有數(shù)據(jù)一天：
500個(gè)城市 * 10家影院 * 2000個(gè)座位 * 2場(chǎng)放映 * (50+50) 字節(jié) = 2GB / 天
要存儲(chǔ)五年的這些數(shù)據(jù)，我們大約需要3.6TB。
5、系統(tǒng)API
我們可以有SOAP或REST API來(lái)公開(kāi)我們服務(wù)的功能。以下可能是搜索電影放映和預(yù)訂座位的API的定義。
SearchMovies(api_dev_key, keyword, city, lat_long, radius, start_datetime, end_datetime, postal_code, includeSpellcheck, results_per_page, sorting_order)參數(shù)：
- api_dev_key (string)：注冊(cè)賬戶(hù)的API開(kāi)發(fā)者密鑰。這將用于包括限制用戶(hù)基于其分配的配額等在內(nèi)的事情。
- keyword (string)：要搜索的關(guān)鍵詞。
- city (string)：用于篩選電影的城市。
- lat_long (string)：用于篩選的緯度和經(jīng)度。
- radius (number)：我們想要搜索活動(dòng)的區(qū)域的半徑。
- start_datetime (string)：用開(kāi)始日期時(shí)間篩選電影。
- end_datetime (string)：用結(jié)束日期時(shí)間篩選電影。
- postal_code (string)：用郵政編碼/郵編篩選電影。
- includeSpellcheck (Enum: "yes" or "no")：是否在響應(yīng)中包含拼寫(xiě)檢查建議。
- results_per_page (number)：每頁(yè)返回的結(jié)果數(shù)。最大為30。
- sorting_order (string)：搜索結(jié)果的排序順序。一些可允許的值：'name,asc'，'name,desc'，'date,asc'，'date,desc'，'distance,asc'，'name,date,asc'，'name,date,desc'，'date,name,asc'，'date,name,desc'。
返回：（JSON） 以下是電影及其放映的示例列表：
{
"MovieID": 1,
"ShowID": 1,
"Title": "Cars 2",
"Description": "About cars",
"Duration": 120,
"Genre": "Animation",
"Language": "English",
"ReleaseDate": "8th Oct. 2014",
"Country": USA,
"StartTime": "14:00",
"EndTime": "16:00",
"Seats":
[
{
"Type": "Regular"
"Price": 14.99
"Status: "Almost Full"
},
{
"Type": "Premium"
"Price": 24.99
"Status: "Available"
}
]
},
{
"MovieID": 1,
"ShowID": 2,
"Title": "Cars 2",
"Description": "About cars",
"Duration": 120,
"Genre": "Animation",
"Language": "English",
"ReleaseDate": "8th Oct. 2014",
"Country": USA,
"StartTime": "16:30",
"EndTime": "18:30",
"Seats":
[
{
"Type": "Regular"
"Price": 14.99
"Status: "Full"
},
{
"Type": "Premium"
"Price": 24.99
"Status: "Almost Full"
}
]
}ReserveSeats(api_dev_key, session_id, movie_id, show_id, seats_to_reserve[])參數(shù)：
- api_dev_key (string)：與上面相同
- session_id (string)：用戶(hù)的會(huì)話(huà)ID，用于跟蹤此預(yù)訂。一旦預(yù)訂時(shí)間到期，將使用此ID在服務(wù)器上刪除用戶(hù)的預(yù)訂。
- movie_id (string)：預(yù)訂的電影。
- show_id (string)：預(yù)訂的放映。
- seats_to_reserve (number)：包含要預(yù)訂的座位ID的數(shù)組。
返回：（JSON）
返回預(yù)訂的狀態(tài)，其中包括以下之一：
- 1) "預(yù)訂成功"
- 2) "預(yù)訂失敗 - 放映已滿(mǎn)"，
- 3) "預(yù)訂失敗 - 請(qǐng)重試，因?yàn)槠渌脩?hù)正在保留預(yù)訂座位"。
6、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
以下是我們即將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的一些觀(guān)察：
- 每個(gè)城市可以有多個(gè)影院。
- 每個(gè)影院將有多個(gè)影廳。
- 每部電影將有多場(chǎng)放映，每場(chǎng)放映將有多次預(yù)訂。
- 一個(gè)用戶(hù)可以有多次預(yù)訂。
7、頂層設(shè)計(jì)
在頂層面上，我們的web服務(wù)器將管理用戶(hù)的會(huì)話(huà)，應(yīng)用服務(wù)器將處理所有的票務(wù)管理，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以及與緩存服務(wù)器一起處理預(yù)訂。
8、組件設(shè)計(jì)
首先，我們?cè)囍⒎?wù)，假設(shè)它是由一個(gè)單一的服務(wù)器提供的。
票務(wù)預(yù)訂流程：以下將是典型的票務(wù)預(yù)訂流程：
- 用戶(hù)搜索一部電影。
- 用戶(hù)選擇一部電影。
- 向用戶(hù)顯示該電影的可用場(chǎng)次。
- 用戶(hù)選擇一場(chǎng)放映。
- 用戶(hù)選擇要預(yù)訂的座位數(shù)量。
- 如果需要的座位數(shù)可用，用戶(hù)將看到一個(gè)劇院的地圖以選擇座位。如果不是，用戶(hù)將進(jìn)入下面的“步驟8”。
- 一旦用戶(hù)選擇了座位，系統(tǒng)將嘗試預(yù)訂這些選定的座位。
- 如果無(wú)法預(yù)訂座位，我們有以下選項(xiàng)：
- 放映已滿(mǎn)；向用戶(hù)顯示錯(cuò)誤消息。
- 用戶(hù)想預(yù)訂的座位已經(jīng)沒(méi)有了，但是還有其他座位可用，所以用戶(hù)被帶回到劇院地圖頁(yè)面以選擇不同的座位。
- 沒(méi)有可預(yù)訂的座位，但所有座位都還沒(méi)有被預(yù)訂，因?yàn)橛行┳槐黄渌脩?hù)在預(yù)訂池中保留并且還沒(méi)有預(yù)訂。用戶(hù)將被帶到一個(gè)等待頁(yè)面，在那里他們可以等待直到需要的座位從預(yù)訂池中釋放。這個(gè)等待可能會(huì)導(dǎo)致以下選項(xiàng)：
- 如果需要的座位數(shù)變得可用，用戶(hù)將被帶到劇院地圖頁(yè)面，他們可以選擇座位。
- 在等待過(guò)程中，如果所有座位都被預(yù)訂了，或者預(yù)訂池中的座位數(shù)少于用戶(hù)打算預(yù)訂的座位數(shù)，用戶(hù)將被顯示錯(cuò)誤消息。
- 用戶(hù)取消等待，返回到電影搜索頁(yè)面。
- 最多，用戶(hù)可以等待一個(gè)小時(shí)，之后用戶(hù)的會(huì)話(huà)將過(guò)期，用戶(hù)將被帶回到電影搜索頁(yè)面。
- 如果成功預(yù)訂了座位，用戶(hù)有五分鐘的時(shí)間支付預(yù)訂。付款后，預(yù)訂標(biāo)記為完成。如果用戶(hù)不能在五分鐘內(nèi)支付，他們所有的預(yù)訂座位都將被釋放，以供其他用戶(hù)使用。
服務(wù)器如何跟蹤所有尚未預(yù)訂的活動(dòng)預(yù)訂？服務(wù)器又如何跟蹤所有等待的客戶(hù)？ 我們需要兩個(gè)守護(hù)服務(wù)，一個(gè)用來(lái)跟蹤所有活動(dòng)的預(yù)訂并從系統(tǒng)中移除任何過(guò)期的預(yù)訂；我們稱(chēng)之為ActiveReservationService。另一個(gè)服務(wù)將跟蹤所有等待的用戶(hù)請(qǐng)求，一旦需要的座位數(shù)變得可用，它將通知（等待時(shí)間最長(zhǎng)的）用戶(hù)選擇座位；我們稱(chēng)之為WaitingUserService。
A. ActiveReservationsService（活動(dòng)預(yù)訂服務(wù)）
我們可以在內(nèi)存中保留一個(gè)與Linked HashMap或TreeMap相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)一場(chǎng)“演出”的所有預(yù)訂，除了在數(shù)據(jù)庫(kù)中保留所有數(shù)據(jù)。我們需要一種Linked HashMap類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它允許我們?cè)陬A(yù)訂完成時(shí)跳轉(zhuǎn)到任何預(yù)訂以移除它。此外，由于我們將有與每個(gè)預(yù)訂關(guān)聯(lián)的到期時(shí)間，HashMap的頭部將始終指向最舊的預(yù)訂記錄，以便在達(dá)到超時(shí)時(shí)過(guò)期預(yù)訂。
為了存儲(chǔ)每場(chǎng)演出的每個(gè)預(yù)訂，我們可以有一個(gè)HashTable，其中'key'是'ShowID'，'value'是包含'BookingID'和創(chuàng)建'Timestamp'的Linked HashMap。
在數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們將在'Booking'表中存儲(chǔ)預(yù)訂，到期時(shí)間將在Timestamp列中。'Status'字段將有一個(gè)值為'Reserved (1)'的值，一旦預(yù)訂完成，系統(tǒng)將更新'Status'為'Booked (2)'并從相關(guān)演出的Linked HashMap中刪除預(yù)訂記錄。當(dāng)預(yù)訂過(guò)期時(shí)，我們可以從Booking表中移除它，或者將其標(biāo)記為'Expired (3)'，除此之外還要從內(nèi)存中移除。
ActiveReservationsService也將與外部金融服務(wù)一起處理用戶(hù)支付。每當(dāng)預(yù)訂完成或預(yù)訂過(guò)期時(shí)，WaitingUsersService都會(huì)收到一個(gè)信號(hào)，以便可以為任何等待的客戶(hù)提供服務(wù)。
B. WaitingUsersService（等待用戶(hù)服務(wù)）
就像ActiveReservationsService一樣，我們可以將一個(gè)演出的所有等待用戶(hù)存儲(chǔ)在Linked HashMap或TreeMap的內(nèi)存中。我們需要一個(gè)類(lèi)似于Linked HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便我們可以在用戶(hù)取消請(qǐng)求時(shí)跳轉(zhuǎn)到任何用戶(hù)以從HashMap中移除他們。此外，由于我們是以先到先得的方式服務(wù)，Linked HashMap的頭部總是指向等待時(shí)間最長(zhǎng)的用戶(hù)，因此每當(dāng)座位變得可用時(shí)，我們都可以以公平的方式為用戶(hù)提供服務(wù)。
我們將有一個(gè)HashTable用來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)Show的所有等待用戶(hù)。'key'將是'ShowID'，'value'將是包含'UserIDs'和他們的等待開(kāi)始時(shí)間的Linked HashMap。
客戶(hù)端可以使用Long Polling來(lái)保持自己的預(yù)訂狀態(tài)更新。每當(dāng)座位變得可用時(shí)，服務(wù)器可以使用這個(gè)請(qǐng)求來(lái)通知用戶(hù)。
預(yù)訂過(guò)期
在服務(wù)器上，ActiveReservationsService跟蹤活動(dòng)預(yù)訂的過(guò)期時(shí)間（基于預(yù)訂時(shí)間）。由于客戶(hù)端將顯示一個(gè)計(jì)時(shí)器（用于過(guò)期時(shí)間），這可能與服務(wù)器稍微不同步，我們可以在服務(wù)器上添加五秒鐘的緩沖區(qū)以防止破碎的體驗(yàn)，從而確?？蛻?hù)端在服務(wù)器超時(shí)后永不超時(shí)，防止成功購(gòu)買(mǎi)。
9、并發(fā)性
如何處理并發(fā)性，以便沒(méi)有兩個(gè)用戶(hù)能夠預(yù)訂同一座位。我們可以在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中使用事務(wù)來(lái)避免任何沖突。例如，如果我們使用的是SQL服務(wù)器，我們可以利用事務(wù)隔離級(jí)別來(lái)鎖定行，然后再更新它們。下面是樣本代碼：
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
BEGIN TRANSACTION;
-- Suppose we intend to reserve three seats (IDs: 54, 55, 56) for ShowID=99
Select * From Show_Seat where ShowID=99 && ShowSeatID in (54, 55, 56) && Status=0 -- free
-- if the number of rows returned by the above statement is three, we can update to
-- return success otherwise return failure to the user.
update Show_Seat ...
update Booking ...
COMMIT TRANSACTION;'Serializable' 是最高的隔離級(jí)別，可以保證免受臟讀、不可重復(fù)讀和幻讀的影響。這里要注意一點(diǎn)；在一個(gè)事務(wù)中，如果我們讀取了行，我們會(huì)在這些行上加寫(xiě)鎖，以防止它們被任何其他人更新。
一旦上述數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)成功，我們就可以開(kāi)始在ActiveReservationService中跟蹤預(yù)訂情況。
10、容錯(cuò)性
當(dāng)ActiveReservationsService或WaitingUsersService崩潰時(shí)會(huì)發(fā)生什么？ 每當(dāng)ActiveReservationsService崩潰時(shí)，我們可以從‘Booking’表中讀取所有的活動(dòng)預(yù)訂。請(qǐng)記住，直到預(yù)訂完成，我們都將“Status”列保持為“Reserved (1)”。另一個(gè)選擇是擁有主-次配置，這樣，當(dāng)主服務(wù)崩潰時(shí)，次服務(wù)可以接管。我們沒(méi)有將等待的用戶(hù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，所以，當(dāng)WaitingUsersService崩潰時(shí)，除非我們有主次設(shè)置，否則我們沒(méi)有任何方式恢復(fù)那些數(shù)據(jù)。
同樣，我們會(huì)為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置主次配置，以使其具有容錯(cuò)性。
11、數(shù)據(jù)分區(qū)
數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)：如果我們按‘MovieID’進(jìn)行分區(qū)，那么一部電影的所有場(chǎng)次都會(huì)在同一個(gè)服務(wù)器上。對(duì)于熱門(mén)電影來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)給那臺(tái)服務(wù)器帶來(lái)大量負(fù)載。更好的方法是根據(jù)ShowID進(jìn)行分區(qū)；這樣，負(fù)載就可以分散到不同的服務(wù)器上。
ActiveReservationService和WaitingUserService分區(qū)：我們的Web服務(wù)器將管理所有活動(dòng)用戶(hù)的會(huì)話(huà)，并處理與用戶(hù)的所有通信。我們可以使用一致性哈希算法來(lái)根據(jù)‘ShowID’為ActiveReservationService和WaitingUserService分配應(yīng)用服務(wù)器。這樣，特定場(chǎng)次的所有預(yù)訂和等待用戶(hù)將由某一組服務(wù)器處理。假設(shè)為了負(fù)載平衡，我們的"一致性哈希"為任何場(chǎng)次分配了三個(gè)服務(wù)器，那么每當(dāng)一個(gè)預(yù)訂過(guò)期時(shí)，持有該預(yù)訂的服務(wù)器將執(zhí)行以下操作：
- 更新數(shù)據(jù)庫(kù)以移除預(yù)訂（或標(biāo)記為過(guò)期）并更新‘Show_Seats’表中座位的狀態(tài)。
- 從Linked HashMap中移除預(yù)訂。
- 通知用戶(hù)他們的預(yù)訂已過(guò)期。
- 向所有持有該場(chǎng)次等待用戶(hù)的WaitingUserService服務(wù)器廣播消息，以找出等待時(shí)間最長(zhǎng)的用戶(hù)。一致性哈希方案將告訴我們哪些服務(wù)器持有這些用戶(hù)。
- 如果所需的座位已經(jīng)變?yōu)榭捎茫拖虺钟凶铋L(zhǎng)等待用戶(hù)的WaitingUserService服務(wù)器發(fā)送消息以處理他們的請(qǐng)求。
每當(dāng)一個(gè)預(yù)訂成功時(shí)，將發(fā)生以下事情：
- 持有該預(yù)訂的服務(wù)器向所有持有該場(chǎng)次等待用戶(hù)的服務(wù)器發(fā)送消息，以便這些服務(wù)器可以使所有需要的座位數(shù)多于可用座位數(shù)的等待用戶(hù)過(guò)期。
- 收到上述消息后，所有持有等待用戶(hù)的服務(wù)器將查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，以查找現(xiàn)在有多少個(gè)空閑座位。此處的數(shù)據(jù)庫(kù)緩存將大大有助于只運(yùn)行一次這個(gè)查詢(xún)。
- 使所有希望預(yù)訂的座位數(shù)多于可用座位數(shù)的等待用戶(hù)過(guò)期。為此，WaitingUserService必須遍歷所有等待用戶(hù)的Linked HashMap。
