大家好，我是冰河~~

相信很多小伙伴都在大廠的秒殺大促中搶購過商品，那大家有沒有想過這樣一個(gè)問題：在秒殺這種高并發(fā)大流量的場景下，商品的庫存是如何設(shè)計(jì)呢？怎么才能抗住瞬時(shí)高并發(fā)的流量呢？

也有不少小伙伴出去面試時(shí)，簡歷上寫了秒殺系統(tǒng)，此時(shí)面試官通常也會(huì)問這樣一個(gè)問題：你們的秒殺系統(tǒng)庫存是怎么設(shè)計(jì)的呢？要知道，秒殺系統(tǒng)的庫存如果只是簡單的按照普通商品的庫存進(jìn)行設(shè)計(jì)，是根本撐不住瞬時(shí)的高并發(fā)流量的。

一、前言

對秒殺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的讀寫操作進(jìn)行優(yōu)化，并不是簡單的進(jìn)行主從復(fù)制和分庫分表。而是需要從秒殺特有的瞬時(shí)高并發(fā)、大流量的業(yè)務(wù)場景出發(fā)，針對場景進(jìn)行數(shù)據(jù)庫優(yōu)化。

對于秒殺這種場景來說，關(guān)鍵是要支撐瞬時(shí)的高并發(fā)、大流量，大量用戶搶購商品下單時(shí)，會(huì)頻繁調(diào)用查詢和更新商品庫存的接口，所以，對于商品庫存來說，我們需要增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的讀寫性能。

在具體設(shè)計(jì)上，就是要對商品的庫存進(jìn)行分庫分表和分桶設(shè)計(jì)，使得商品的庫存不再由單數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，擴(kuò)展成多臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并且在每個(gè)數(shù)據(jù)庫中，又對商品的庫存進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)。同時(shí)，在緩存層面，也需要對商品的庫存進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)

二、庫存優(yōu)化目標(biāo)

在正式對商品庫存進(jìn)行分庫分表和分桶設(shè)計(jì)之前，我們先來確定下庫存優(yōu)化的目標(biāo)，也就是分庫分表和分桶設(shè)計(jì)的目標(biāo)，這樣在后續(xù)的實(shí)現(xiàn)中更有針對性。這里，我主要把庫存優(yōu)化的目標(biāo)分成了六點(diǎn)：分庫設(shè)計(jì)、分表設(shè)計(jì)、分桶設(shè)計(jì)、緩存設(shè)計(jì)、一致性設(shè)計(jì)和兼容性設(shè)計(jì)，如下圖所示。

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• 根據(jù)秒殺商品對庫存進(jìn)行分庫設(shè)計(jì)：使得相同秒殺商品的庫存能夠路由到同一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。
• 根據(jù)秒殺商品對庫存進(jìn)行分表設(shè)計(jì)：使得相同秒殺商品的庫存能夠路由到同一數(shù)據(jù)庫中，然后再進(jìn)一步根據(jù)商品id進(jìn)行分表。
• 根據(jù)秒殺商品對庫存進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)：對于秒殺系統(tǒng)來說，分庫分表主要提升的是多場秒殺活動(dòng)的并發(fā)處理能力，而分桶設(shè)計(jì)主要解決的是單場秒殺活動(dòng)的并發(fā)處理能力。
• 根據(jù)庫存的分庫分表和分桶方案，設(shè)計(jì)對應(yīng)的庫存緩存方案：根據(jù)庫存的分庫分表和分桶方案，為商品的分桶庫存設(shè)計(jì)分桶緩存方案：真正扣減商品分桶庫存之前會(huì)預(yù)扣緩存中的分桶庫存數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。
• 數(shù)據(jù)一致性設(shè)計(jì)：在緩存與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性層面，基于分庫分表和分桶設(shè)計(jì)，在緩存層面實(shí)現(xiàn)弱一致性，數(shù)據(jù)庫層面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)一致性。
• 兼容性設(shè)計(jì)：對于新增的商品庫存分庫分表和分桶設(shè)計(jì)，要兼容之前的商品庫存設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)簡單的配置進(jìn)行自由切換。

三、分庫分表設(shè)計(jì)

在分庫分表的設(shè)計(jì)上，這里我們使用了三個(gè)庫實(shí)現(xiàn)（實(shí)際場景可以根據(jù)具體需要靈活配置分庫和分表的數(shù)量），默認(rèn)一個(gè)商品庫和兩個(gè)庫存庫，將商品的庫存信息從商品表中獨(dú)立出來，單獨(dú)進(jìn)行分庫分表和分桶設(shè)計(jì)。

• 商品庫：在秒殺下單的過程中，主要以讀操作為主，比如獲取秒殺商品詳情信息等。
• 庫存庫：在秒殺下單的過程中，主要以寫操作為主，主要是在下單過程中扣減商品的庫存，分?jǐn)倲?shù)據(jù)庫的寫壓力。

這里需要注意的是：在我們實(shí)現(xiàn)的秒殺系統(tǒng)中，使用了一個(gè)商品庫和兩個(gè)庫存庫來實(shí)現(xiàn)商品庫存的分庫分表和分桶設(shè)計(jì)，在實(shí)際場景下，大家可以根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需要，靈活配置分庫、分表和分桶的數(shù)量。

對商品庫存進(jìn)行分庫分表設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)就是對分片鍵的設(shè)計(jì)。所謂的分片鍵就是指定一個(gè)字段，通過這個(gè)字段將數(shù)據(jù)路由到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表中。在秒殺系統(tǒng)分片鍵的設(shè)計(jì)上，盡量將同一個(gè)用戶的同一次事務(wù)中的相關(guān)操作路由到同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，降低跨庫操作的事務(wù)成本。

對于商品庫存進(jìn)行分庫分表之后的示意圖如下圖所示。

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可以看到，對于商品商品庫存來說，分庫分表后，會(huì)分成一個(gè)商品庫和兩個(gè)庫存庫，其中商品庫中存放的是秒殺商品信息，主要在用戶搶購下單的業(yè)務(wù)場景中，以讀操作為主。

庫存庫中則存放的是庫存分桶數(shù)據(jù)，每個(gè)庫存庫中存放了三個(gè)分桶后的庫存信息。這些分庫分表的數(shù)據(jù)，大家可以根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整。

對于商品庫存的分庫分表來說，在實(shí)際場景下，可以根據(jù)商品id進(jìn)行分片。也就是說，這里我們選擇的分片鍵是商品的id，同一個(gè)商品的庫存會(huì)被路由到同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，不會(huì)出現(xiàn)跨數(shù)據(jù)庫的操作。

四、庫存分桶設(shè)計(jì)

在分庫分表的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)庫的并發(fā)寫性能，可以對商品的庫存進(jìn)行分桶存儲(chǔ)。當(dāng)運(yùn)營人員在配置庫存信息時(shí)，可以設(shè)置庫存的總量和分桶數(shù)量，比如，要將1500個(gè)商品分配到5個(gè)分桶中，則每個(gè)分桶中會(huì)分得300個(gè)商品庫存，如下圖所示。

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這樣，每個(gè)分桶就能夠承擔(dān)一部分寫壓力，從而將商品的庫存寫壓力分擔(dān)出去，使得秒殺系統(tǒng)的庫存數(shù)據(jù)庫能夠具備更高的并發(fā)寫能力。

當(dāng)用戶搶購下單時(shí)，會(huì)根據(jù)分桶的數(shù)量對用戶的id進(jìn)行取模來定位對應(yīng)的庫存分桶，比如用戶的id為10001，目前庫存的分桶數(shù)量設(shè)置為5，則用戶搶購下單時(shí)，會(huì)將當(dāng)前用戶搶購下單時(shí)，扣減商品庫存的請求路由到分桶1，如下圖所示。

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用戶id為10002的用戶搶購下單時(shí)，扣減商品庫存的請求會(huì)被路由到分桶2，如下圖所示。

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可以看到，用戶搶購下單時(shí)，扣減商品庫存的請求會(huì)被路由到不同的分桶中，這樣就可以大大降低扣減商品庫存的并發(fā)寫沖突問題，提升扣減商品庫存的并發(fā)寫性能。

這里，還有一個(gè)問題就是對商品的庫存進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)后，每個(gè)分桶中保存的是當(dāng)前商品的一部分庫存信息，那如何確定商品的總庫存呢？其實(shí)有兩種方案和解決這個(gè)問題。

• 第一個(gè)方案就是在商品數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)商品的總庫存和分桶數(shù)量，每個(gè)分桶中存儲(chǔ)當(dāng)前分桶的庫存信息即可。
• 第二個(gè)方案就是在多個(gè)分桶中選擇一個(gè)主分桶用來存儲(chǔ)商品的總庫存。
• 第三個(gè)方案就是在商品數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)商品的總庫存和分桶數(shù)量，每個(gè)分桶中存儲(chǔ)當(dāng)前分桶的商品總庫存和當(dāng)前可用庫存。

考慮到對商品庫存的并發(fā)寫操作，以及后續(xù)運(yùn)營人員可能要調(diào)整商品的庫存信息，這里我們采用的是方案三，也就是在商品數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)商品總庫存和分桶數(shù)量，每個(gè)分桶中存儲(chǔ)當(dāng)前分桶的商品總庫存和當(dāng)前可用庫存。如下圖所示。

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運(yùn)營人員在設(shè)置商品庫存時(shí)，將商品的總庫存和分桶數(shù)量存儲(chǔ)到商品庫，每個(gè)分桶中存儲(chǔ)當(dāng)前分桶的總庫存和可用庫存。

五、分桶庫存扣減策略

我們對庫存進(jìn)行分庫分表和分桶設(shè)計(jì)后，在實(shí)際場景中，大部分情況下都是路由到不同庫存分桶的流量是存在差異的，這就會(huì)導(dǎo)致不同庫存分桶中的庫存剩余量有所不同，比如，id為10001的用戶搶購下單時(shí)，會(huì)被路由到分桶1，id為10002的用戶搶購下單時(shí)，會(huì)被路由到分桶2。

有可能存在的一種情況是：此時(shí)分桶1中沒有庫存了，分桶2中有庫存，那對于id為10001的用戶來說，該怎么處理呢？此時(shí)，我們可以考慮三種方案：

方案1： 設(shè)計(jì)庫存分桶的“爭搶”機(jī)制，類似Java中的Fork/Join框架，如果當(dāng)前分桶中的庫存不足，則按照一定的規(guī)則“爭搶”其他分桶中的庫存。

方案2： 每個(gè)分桶中預(yù)留一些冗余的庫存，某個(gè)分桶庫存不足，向其他分桶借用。

方案3： 路由到不同庫存分桶的用戶看到的剩余庫存量不同，如果某個(gè)分桶的庫存不足，直接向路由到該分桶的用戶提示庫存不足。

這三種方案各有利弊，經(jīng)過對秒殺這種場景的權(quán)衡，我們最終采用的是方案3。要知道，在秒殺絕大部分場景下，都是大量的用戶去搶購有限數(shù)量的商品，大部分情況下，所有分桶的庫存會(huì)被瞬間搶購一空。

那有沒有一些極端情況，某些分桶中的庫存無法售罄呢？這種情況不能說沒有，有可能會(huì)出現(xiàn)，但是概率極低。

如果確實(shí)存在某些分桶中的庫存無法售罄的情況，則可以通過人工干預(yù)的方式收縮庫存分桶，將沒有售罄的分桶庫存收縮到一個(gè)分桶中，這樣將相當(dāng)于庫存沒有分桶了，后續(xù)所有的請求都會(huì)被路由到同一個(gè)庫存分桶中，最終庫存都會(huì)被售罄。

方案1和方案2在實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，要充分考慮在高并發(fā)、大流量場景下如何實(shí)現(xiàn)庫存的爭搶機(jī)制，并要考慮不能出現(xiàn)庫存超賣和少賣的問題，無疑是在系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)層面增加了復(fù)雜度。

在這種秒殺場景下，大可不必非要實(shí)現(xiàn)方案1和方案3，換個(gè)角度思考，對于平臺(tái)和商戶來說，保證所有商品都能售罄，并保證數(shù)據(jù)一致。對于用戶來說，完全必要保證庫存數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，只要保證用戶能看到對應(yīng)分桶中的庫存就可以了，完全沒必要保證用戶看到庫存數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性。

六、緩存與一致性設(shè)計(jì)

對于商品的庫存在數(shù)據(jù)庫層面進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要知道MySQL單行并發(fā)寫的TPS大概在300~500之間，即使我們對商品進(jìn)行了分庫分表和分桶設(shè)計(jì)，如果將秒殺系統(tǒng)扣減庫存的流量直接打入數(shù)據(jù)庫，哪怕部署了MySQL集群，估計(jì)也很難抗下所有的并發(fā)流量。所以，我們同樣要對商品庫存在緩存中進(jìn)行分桶設(shè)計(jì)。

商品庫存在緩存層面的分桶設(shè)計(jì)與在數(shù)據(jù)庫層面的分桶設(shè)計(jì)規(guī)則保持一致，例如，運(yùn)營人員要將1500個(gè)商品分配到5個(gè)分桶中，則每個(gè)緩存分桶和數(shù)據(jù)庫分桶中都會(huì)分得300個(gè)商品庫存，如下圖所示。

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當(dāng)用戶搶購下單時(shí)，同樣會(huì)根據(jù)分桶的數(shù)量對用戶的id進(jìn)行取模來定位對應(yīng)的庫存分桶，先預(yù)扣緩存分桶中的庫存，然后進(jìn)行下單操作，最后扣減數(shù)據(jù)庫分桶中的庫存。

比如用戶的id為10001，目前庫存的分桶數(shù)量設(shè)置為5，則用戶搶購下單時(shí)，會(huì)將當(dāng)前用戶搶購下單時(shí)，扣減商品庫存的請求路由到分桶1，如下圖所示。

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此時(shí)，就會(huì)將id為10001的用戶扣減商品庫存的請求路由到緩存分桶1來預(yù)扣商品庫存，預(yù)扣成功就會(huì)構(gòu)建訂單數(shù)據(jù)并保存，最后扣減數(shù)據(jù)庫分桶1中的庫存數(shù)據(jù)。

如果用戶的id為10002，目前庫存的分桶數(shù)量設(shè)置為5，則用戶搶購下單時(shí)，會(huì)將當(dāng)前用戶搶購下單時(shí)，扣減商品庫存的請求路由到分桶2，如下圖所示。

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此時(shí)，就會(huì)將id為10001的用戶扣減商品庫存的請求路由到緩存分桶2來預(yù)扣商品庫存，預(yù)扣成功就會(huì)構(gòu)建訂單數(shù)據(jù)并保存，最后扣減數(shù)據(jù)庫分桶2中的庫存數(shù)據(jù)。

這里，還有一個(gè)問題就是如何同步緩存中分桶中的庫存數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫分桶中的庫存數(shù)據(jù)呢？其實(shí)，設(shè)計(jì)起來也比較簡單，就是運(yùn)營人員設(shè)置或者調(diào)整商品庫存和分桶數(shù)量時(shí)，會(huì)將計(jì)算出來的商品分桶庫存寫入數(shù)據(jù)庫，寫入成功后，更新緩存中的分桶庫存數(shù)據(jù)即可。

緩存中的商品分桶庫存保持弱一致性，數(shù)據(jù)庫中的商品分桶庫存保持強(qiáng)一致性。如下圖所示。

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當(dāng)運(yùn)營人員設(shè)置商品庫存和分桶數(shù)量時(shí)，會(huì)將商品的總庫存和分桶數(shù)量存儲(chǔ)到商品數(shù)據(jù)表，每個(gè)分桶中存儲(chǔ)當(dāng)前分桶的總庫存和可用庫存。

當(dāng)數(shù)據(jù)庫分桶中的商品庫存數(shù)據(jù)設(shè)置成功后，將其同步到緩存中，緩存中的商品分桶庫存規(guī)則與數(shù)據(jù)庫中的商品分桶庫存規(guī)則相同。

同時(shí)，緩存中的分桶庫存數(shù)據(jù)保持弱一致性，數(shù)據(jù)庫中的分桶庫存數(shù)據(jù)保持強(qiáng)一致性。

七、重置和調(diào)整分桶設(shè)計(jì)

運(yùn)營人員難免會(huì)調(diào)整秒殺商品的庫存信息，比如原來的商品庫存為1500，后來想調(diào)整成1000或者2000，所以，秒殺系統(tǒng)要支持運(yùn)營人員動(dòng)態(tài)的調(diào)整秒殺商品的庫存。

以此對秒殺商品的庫存進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，運(yùn)營人員調(diào)整庫存時(shí)，會(huì)涉及到三種情況，分別如下所示。

（1）第一種情況是調(diào)整商品庫存，但是分桶數(shù)量不變，如下圖所示。

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（2）第二種情況是商品庫存不變，調(diào)大或者調(diào)下分桶數(shù)量，如下圖所示。

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（3）第三種情況是既調(diào)整了商品庫存，又調(diào)整了分桶數(shù)量，如下圖所示。

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其實(shí)，這三種情況在秒殺系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，本質(zhì)上就是對商品庫存和分桶數(shù)量的調(diào)整，秒殺系統(tǒng)要支持運(yùn)營實(shí)時(shí)調(diào)整這些策略。

八、總結(jié)

本章，主要對商品的庫存進(jìn)行了分庫分表和分桶設(shè)計(jì)。首先，簡單描述了本章的需求。隨后，對庫存優(yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行了闡述。緊接著對庫存的分庫分表和分桶進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說明。

接下來，對商品庫存分庫分表和分桶涉及到的緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對緩存數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，對重置和調(diào)整商品庫存的分桶數(shù)據(jù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。