張 杰 劉 凱 周立軍

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，校園信息化程度不斷提升，傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)一般可抽象為三層相對(duì)獨(dú)立模型：表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)庫(kù)層，并且在維護(hù)、部署、穩(wěn)定性等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在并發(fā)性和擴(kuò)展性方面，存在難以逾越瓶頸。當(dāng)今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展已經(jīng)深刻影響數(shù)字化校園的系統(tǒng)架構(gòu)，尤其時(shí)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，用戶前端展示與訪問已經(jīng)不再局限于單一的Web、Win-Form、APP等形式［1］，甚至包括對(duì)第三方開放的擴(kuò)展服務(wù)，此時(shí)信息系統(tǒng)的并發(fā)訪問能力將成為每一個(gè)系統(tǒng)必須面對(duì)的關(guān)鍵問題。

本文主要闡述了信息系統(tǒng)高并發(fā)訪問涉及的相關(guān)技術(shù)，針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫系統(tǒng)瓶頸，即數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫屬于磁盤IO，性能低［2～3］，分析了選課系統(tǒng)中高并發(fā)的功能點(diǎn)，通過將選課部分?jǐn)?shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)移到內(nèi)存緩存，并搭建了一個(gè)基于Redis高速讀寫的高并發(fā)選課系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了選課信息發(fā)布、學(xué)生選課及課表查詢等功能，通過實(shí)驗(yàn)表明：采用Redis的選課系統(tǒng)在高并發(fā)訪問性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)速度和并發(fā)處理能力有較大提升。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選課計(jì)劃系統(tǒng)用于根據(jù)教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)資源等，每周制定的選課計(jì)劃及相關(guān)信息，供學(xué)員在除正課之外的時(shí)間進(jìn)行自主選擇，系統(tǒng)分為包括教務(wù)處、教研室、學(xué)生管理單位及學(xué)生等角色，其中本文重點(diǎn)分析選課子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

選課子系統(tǒng)主要功能包括選課批次管理、選課計(jì)劃管理、學(xué)員選課、選課排課、系統(tǒng)管理等，其中，學(xué)員選課包括多種展示方式，如Web網(wǎng)頁(yè)、APP終端、Win-Form程序等形式，并且當(dāng)選課的課程表發(fā)布時(shí)，會(huì)存在短時(shí)間內(nèi)高并發(fā)訪問操作情況發(fā)生，并且對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與并發(fā)處理能力要求較高，為了提升系統(tǒng)擴(kuò)展性、降低程序耦合度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)將前端顯示和業(yè)務(wù)處理分離。

圖2 選課系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)功能按照服務(wù)進(jìn)行拆分，用戶經(jīng)過授權(quán)后，可調(diào)用選課系統(tǒng)開放的服務(wù)完成相應(yīng)功能，如選課業(yè)務(wù)中學(xué)員經(jīng)登陸驗(yàn)證后，通過RESTful API調(diào)用系統(tǒng)后端選課服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的高并發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：Redis緩存熱點(diǎn)數(shù)據(jù)和Quartz任務(wù)調(diào)度定時(shí)加載熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.1 Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)

Redis是一種基于內(nèi)存的高性能Key-Value數(shù)據(jù)庫(kù)［4］，在解決高并發(fā)與大數(shù)據(jù)等應(yīng)用場(chǎng)景，可用于提升熱點(diǎn)數(shù)據(jù)訪問的性能，Redis與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)有所不同，支持鏈表（List）、字符串（String）、集合（set）和有序集合（zset）等4種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，此外，還支持?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算中常用的集合并、交和補(bǔ)集等操作及多種排序算法［5］，Redis所有數(shù)據(jù)都是保存在內(nèi)存中，通過不定期半持久化模式（異步方式保存到磁盤上）和持久化模式等操作，提供周期性地把數(shù)據(jù)操作寫到AOF文件中，數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，保障數(shù)據(jù)安全，在Redis中緩存的選課數(shù)據(jù)及所使用數(shù)據(jù)類型如表1所示。

表1 熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存及類型說明

3.2 Quartz作業(yè)調(diào)度

Quartz是一個(gè)開源完全作業(yè)調(diào)度框架，將任務(wù)調(diào)度的相關(guān)問題進(jìn)行了抽象，提出了調(diào)度器、觸發(fā)器和任務(wù)等三個(gè)核心概念，分別對(duì)應(yīng)Scheduler、Trigger和Job，為應(yīng)用程序進(jìn)行作業(yè)調(diào)度提供了簡(jiǎn)單強(qiáng)大的機(jī)制，當(dāng)一個(gè)在預(yù)先確定的任務(wù)（如定時(shí)發(fā)布選課課表）的時(shí)間到達(dá)時(shí)，負(fù)責(zé)執(zhí)行指定任務(wù)或功能（將選課數(shù)據(jù)加載到Redis數(shù)據(jù)緩存），Quartz實(shí)現(xiàn)上述功能的主要接口是Scheduler，通過SchedulerFactory創(chuàng)建一個(gè)Scheduler任務(wù)調(diào)度實(shí)例，它提供了的操作包括：將任務(wù)納入日程或者從日程中取消、開始/停止/暫停日程進(jìn)度等，其中Trigger和Job是任務(wù)調(diào)度的元數(shù)據(jù)，Scheduler是實(shí)際執(zhí)行調(diào)度的控制器，Trigger是用于定義調(diào)度時(shí)間的元素，描述觸發(fā)Job執(zhí)行的時(shí)間觸發(fā)規(guī)則，Job用于表示被調(diào)度的任務(wù)，按狀態(tài)可分為無狀態(tài)（stateless）和有狀態(tài)（stateful）兩種類型。對(duì)于同一個(gè)trigger來說，有狀態(tài)的job不能被并行執(zhí)行，只有上次觸發(fā)的任務(wù)被執(zhí)行完之后，才能觸發(fā)下次執(zhí)行［6～7］。

Quartz作業(yè)調(diào)度框架與Java內(nèi)置java.util.Tim?er定時(shí)器相比，除了具有可持久化、靈活、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，Quartz可通過cron表達(dá)式精確到特定時(shí)間執(zhí)行，且Quartz每次執(zhí)行任務(wù)都將創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，所以某一次執(zhí)行任務(wù)過程中拋出異常，對(duì)下一次任務(wù)的執(zhí)行不會(huì)產(chǎn)生影響，Timer在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)程中拋出異常，則整個(gè)定時(shí)器生命周期就結(jié)束，將失去定時(shí)器的作用［8］。

4 系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

選課子系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)是學(xué)員選課，具體業(yè)務(wù)流程包括：

1）教研室為單位，提交下一周自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)，教研室應(yīng)主要對(duì)本學(xué)期開設(shè)課程安排輔導(dǎo)答疑和實(shí)驗(yàn)室自習(xí)等自主學(xué)習(xí)任務(wù)；

2）教科處審核并發(fā)布自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練計(jì)劃；

3）學(xué)員通過個(gè)人賬戶登錄校園網(wǎng)（周末），制定自主學(xué)習(xí)計(jì)劃；

4）教科處進(jìn)入選課管理進(jìn)行學(xué)員調(diào)整和選開課排課；

5）發(fā)布每周自主學(xué)習(xí)選排課供查詢、下載、打印。

圖3 系統(tǒng)高并發(fā)核心業(yè)務(wù)分析

通過分析選課子系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程中存在高并發(fā)的模塊主要涉及：學(xué)生選課的課表信息（按周進(jìn)行發(fā)布）和學(xué)員個(gè)人課表查詢，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用Quartz任務(wù)調(diào)度，在給定時(shí)間（每周六24點(diǎn)）按教學(xué)周將選課數(shù)據(jù)從Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)緩存至Redis服務(wù)器，學(xué)生按照教學(xué)周查詢已經(jīng)開放的課表時(shí)直接從Redis內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，較大程度提升客戶端相應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力［9］。

圖4 高并發(fā)選課業(yè)務(wù)流程

選課業(yè)務(wù)中存在典型的高并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景，供學(xué)員選課的信息在特定時(shí)間發(fā)布，學(xué)員會(huì)在課程發(fā)布后集中完成選課操作，由于選課課程有明確人數(shù)限制，高并發(fā)選課操作發(fā)生時(shí)，頻繁的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和寫入操作，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)宕機(jī)［10］，為了緩解數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的處理能力與高并發(fā)訪問的矛盾，系統(tǒng)采用以下設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)：

1）由定時(shí)器按教學(xué)周，讀取選課課程數(shù)據(jù)進(jìn)行Redis緩存；

2）當(dāng)學(xué)員選擇一門課程時(shí)，首先檢查是否已選過，并檢查是否已經(jīng)超過人數(shù)限制，滿足條件進(jìn)行選課，否則返回選課失敗及原因；

3）實(shí)現(xiàn)選課操作，生成學(xué)員選課記錄并存入到Redis，更新選課人數(shù)；

4）使用Redis消息隊(duì)列發(fā)送選課記錄，消息接收后完成存入Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)。

在第2）、3）步驟完成的動(dòng)作，必須滿足事務(wù)性和原子性，否則在高并發(fā)情況下，無法保證數(shù)據(jù)一致性，但Redis為了保證性能，其事務(wù)具有一定局限性（如不支持回滾）［11～12］，為了解決這個(gè)問題，可采用Lua編寫腳本，提交到Redis執(zhí)行，Redis會(huì)將整個(gè)Lua腳本作為一個(gè)整體執(zhí)行，在執(zhí)行過程中不會(huì)被其他命令插入（Redis具有單線程特性），第2）、3）步驟對(duì)應(yīng)的Lua腳本如下：

通過將Lua腳本嵌入到選課服務(wù)端，當(dāng)學(xué)員選課時(shí)調(diào)用Lua腳本，借助Lua腳本，Redis將多個(gè)查詢、修改等動(dòng)作包裝成一個(gè)具有原子性操作，在提升了性能的同時(shí)，可有效保證數(shù)據(jù)一致性。

5 實(shí)驗(yàn)分析

在高并發(fā)情況下，如集中學(xué)員選課場(chǎng)景，容易出現(xiàn)多人同時(shí)對(duì)已選課人數(shù)進(jìn)行查詢與修改，為了保證數(shù)據(jù)一致性，防止出現(xiàn)超出選課人數(shù)限制的情況發(fā)生，傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行加鎖（如排它鎖、樂觀鎖、悲觀鎖等）［13］，但普遍存在性能上的缺失，導(dǎo)致系統(tǒng)并發(fā)處理能力降低［14］。通過使用Redis將選課相關(guān)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)存入緩存，建立Tom?cat+Redis+Mysql建立高并發(fā)選課系統(tǒng)，緩解高并發(fā)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問壓力，并提升處理性能。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架在并發(fā)處理能力方面的性能，選擇Apache JMeter進(jìn)行負(fù)載功能測(cè)試和性能測(cè)試，相比其他測(cè)試軟件（如Loadrunner），JMeter具有輕量、開源等優(yōu)勢(shì)［15～16］。分別設(shè)計(jì)兩種方案：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)（方案1）與Redis數(shù)據(jù)緩存（方案2）方式分別完成選課操作，使用JMeter建立用戶線程方式分別模擬500、1000、2000用戶在1s內(nèi)并發(fā)訪問選課系統(tǒng)，如表2所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟件硬件條件：i5/8G內(nèi) 存 、Windows 7/Jdk1.8/Tomcat8.5/Jmeter5.0/Je?dis2.4/Mysql5.6。

表2 Jmeter性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（時(shí)間單位：ms）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用Redis數(shù)據(jù)緩存方式，在并發(fā)處理能力的各項(xiàng)指標(biāo)提升明顯，尤其是吞吐量（單位時(shí)間處理請(qǐng)求的數(shù)量）可提升40%左右。

6 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前信息系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問存在的瓶頸，以典型的學(xué)員選課應(yīng)用場(chǎng)景為例，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到核心功能實(shí)現(xiàn)，闡述了使用Redis將選課等熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，針對(duì)選課并發(fā)操作的過程，采用Lua腳本實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作（Redis查詢、修改等）封裝成一個(gè)原子性操作［17］，在提升Redis操作性能同時(shí)，有效避免數(shù)據(jù)不一致性；最后，通過使用Jmeter性能測(cè)試工具，對(duì)文中提出數(shù)據(jù)緩存方案與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明Redis數(shù)據(jù)緩存方式并發(fā)性能明顯提升，本文使用Quartz和Redis提升系統(tǒng)并發(fā)能力的方法，具有一定的通用性和借鑒作用。