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2025三掌柜赠书活动第十五期：高并发系统：设计原理与实践

news 来源：原创 2025/4/29 10:21:09

前言

在当今数字化时代，随着互联网应用的飞速发展，用户数量和业务请求量呈爆发式增长，高并发系统的设计与优化已成为技术领域的重要课题。无论是电商平台的“双11”购物节，还是社交媒体的实时互动，亦或是金融科技的高频交易，高并发系统都扮演着至关重要的角色。再者，在春运等高峰期，12306网站需要承接数以亿计的购票请求，这对系统的并发处理能力提出了极高的要求。为了应对这一挑战，12306网站进行了多次技术升级和优化，包括引入云计算、大数据分析等技术手段，以提高系统的并发处理能力和用户体验。那么本文就来深入探讨高并发系统的设计原理与实践方法，帮助大家构建高效、稳定且可扩展的系统架构。

什么是高并发？

高并发系统是指能够同时处理大量用户请求或操作的计算机系统或应用。在互联网、移动应用、云计算等场景中，高并发系统十分常见，因为它们需要应对数以万计甚至更多的用户同时访问或操作。

在高并发系统的实践中，还需要考虑系统的可扩展性、稳定性、安全性等多个方面。同时，随着技术的不断发展，新的高并发处理技术也在不断涌现，如容器化、服务网格、无服务器架构等。

高并发系统的挑战

高并发系统面临的首要挑战是性能瓶颈。当大量用户同时访问系统时，服务器的处理能力、网络带宽、数据库响应速度等都可能成为瓶颈，导致系统响应延迟增加，甚至崩溃。其次，数据一致性也是一个关键问题。在高并发环境下，多个用户可能同时对同一数据进行读写操作，如何保证数据的准确性和一致性是一个复杂的技术难题。此外，系统的可扩展性同样不容忽视。随着业务的增长，系统需要能够灵活地扩展资源，以应对不断变化的流量需求。

设计原理

1、分布式架构

分布式架构是应对高并发的核心设计思想。通过将系统拆分为多个独立的模块，部署在不同的服务器上，可以有效分散负载，提高系统的处理能力。例如，微服务架构将复杂的业务逻辑拆分为多个小型、独立的服务，每个服务可以独立扩展，便于开发和维护。同时，分布式架构还可以借助负载均衡技术，将用户请求均匀分配到多个服务器上，避免单点过载。

2、缓存与异步处理

缓存是提高系统性能的关键手段之一。通过将热点数据存储在内存中，可以快速响应用户的读取请求，减少对数据库的直接访问，从而降低数据库的压力。常见的缓存技术包括本地缓存（如 Ehcache）和分布式缓存（如 Redis）。此外，异步处理也是提升系统响应速度的重要策略。通过将耗时的操作（如邮件发送、日志记录等）放入后台队列异步执行，可以快速返回用户请求，提升用户体验。

3、数据库优化

数据库是高并发系统的另一个关键环节。优化数据库性能可以从多个方面入手：索引优化可以加快数据查询速度；读写分离可以将读操作和写操作分配到不同的数据库实例上，提高系统的吞吐量；分库分表可以进一步分散数据存储压力，提升数据库的扩展性。此外，数据库连接池技术可以有效管理数据库连接，减少连接创建和销毁的开销。

4、弹性扩展

弹性扩展是高并发系统应对流量波动的重要能力。通过自动伸缩技术，系统可以根据实时流量动态调整资源分配。例如，云服务提供商（如华为云、阿里云等）提供了弹性计算服务，可以根据预设的规则自动增加或减少服务器实例，确保系统在高流量时有足够的处理能力，而在低流量时节省资源成本。

实践方法

1、性能监控与分析

性能监控是优化高并发系统的基础。通过部署监控工具（如 Prometheus、Grafana 等），可以实时监控系统的各项指标，如 CPU 使用率、内存使用率、网络流量、响应时间等。通过对监控数据的分析，可以快速定位性能瓶颈，为优化提供依据。例如，如果发现某个接口的响应时间异常，可以进一步分析该接口的代码逻辑、数据库查询语句等，找出问题所在。

2、压力测试

压力测试是验证高并发系统性能的重要手段。通过模拟真实的高流量场景，可以测试系统的极限性能和稳定性。常见的压力测试工具包括 JMeter、Locust 等。在进行压力测试时，需要逐步增加并发用户数，观察系统的各项指标变化，确保系统在高并发情况下能够正常运行。同时，压力测试还可以帮助发现潜在的性能问题，提前进行优化。

3、故障排查与容错机制

高并发系统在运行过程中难免会出现故障。因此，建立完善的故障排查与容错机制至关重要。日志记录是故障排查的基础，通过详细记录系统的运行日志，可以快速定位问题根源。熔断机制和降级策略是容错机制的常用手段。当某个服务出现故障时，熔断机制可以快速切断对该服务的调用，避免故障扩散；降级策略则可以在系统资源不足时，优先保证核心功能的正常运行，牺牲一些非核心功能。

关于《高并发系统：设计原理与实践》

接下来给大家推荐一本关于高并发系统的书籍，《高并发系统：设计原理与实践》是一本专注于高并发系统设计与优化的实战宝典，一经出版便受到了技术圈的广泛关注，成为众多开发者和架构师的案头必备。本书从高并发系统的底层原理讲起，深入浅出地剖析了性能瓶颈、负载均衡、分布式架构等核心知识点，并结合大量实战案例，助力读者在面对海量请求时能够游刃有余地设计出高效、稳定的系统架构！另外，关注本文博主，点赞+收藏本文，且在本文评论区评论“入手高并发”，将选取三名幸运读者送出纸质版《高并发系统：设计原理与实践》一本，截止时间：2025.05.09。入手《高并发系统：设计原理与实践》传送门：https://item.jd.com/14413477.html 或者《高并发系统：设计原理与实践》(唐扬)【简介_书评_在线阅读】 - 当当图书。个人觉得这本书非常实用，是一本难得的高并发领域好书，值得每一位追求技术卓越的读者拥有并深入学习。

编辑推荐

适读人群：本书既适合软件开发人员阅读，也适合对高并发系统设计感兴趣的科研人员和计算机相关专业的学生阅读，还可用作中小型企业的内训教材。

1. 全面拆解高并发系统设计的难点、基本原则和实践技巧

2. 详解提升高并发系统可用性的3种方法：系统容错、冗余和分片

3. 详解提升高并发系统性能的2种方法：并发和异步

4. 多个高并发系统实际运维案例的解析

内容简介

　　本书主要探讨高并发场景下系统设计的原理和实践案例，帮助读者系统、快速地理解高并发系统的设计原理与相关实践，以及掌握解决高并发场景下可能遇到的各种问题的方法。

　　本书共6章。第1章介绍高并发系统的发展历史、设计难点和基本设计原则，以及度量指标；第2～4章介绍有助于提升高并发系统可用性的3种方法—系统容错、冗余和分片；第5章从提升高并发系统性能的角度讲解并发与异步的原理和实践技巧；第6章从系统运维和团队流程管理两个角度讲解如何提升团队对高并发系统的把控性，进而提升系统的可用性。

　　本书既适合软件开发人员阅读，也适合对高并发系统设计感兴趣的科研人员和计算机相关专业的学生阅读，还可用作中小型企业的内训教材。

作者简介

唐扬，互联网资深技术专家，拥有超过 15 年的开发和架构经验。曾在美图、网易、新浪等大型互联网公司负责过多个大型产品的开发与维护工作，带领不同团队支撑过多个日均活跃用户数超千万的 App。在“极客时间”开设的“高并发系统设计 40 问”专栏，凭借专业且实用的内容，吸引了超 5 万名学习者参与，在业内引发广泛关注与学习热潮。

图书目录

第 1章　高并发系统概述　1

1.1　高并发系统的发展历史　3

1.2　高并发系统的设计难点　3

1.2.1　系统的高可用　4

1.2.2　访问的高性能　6

1.3　高并发系统的基本设计原则　8

1.3.1　面向失败编程　9

1.3.2　可扩展　11

1.3.3　缓存　12

1.3.4　并发　15

1.4　高并发系统的度量指标　17

1.4.1　可用性的度量　17

1.4.2　性能的度量　19

1.5　小结　20

第 2章　系统容错　21

2.1　重试　23

2.1.1　重试策略　25

2.1.2　重试风暴的应对方式　28

2.1.3　幂等性的保证方法　30

2.2　熔断　32

2.2.1　熔断的作用　34

2.2.2　断路器模式与应用　35

2.2.3　弹性熔断算法　39

2.2.4　Sentinel的熔断机制实现　42

2.3　降级　47

2.3.1　降级的典型应用场景和处理方式　48

2.3.2　配置中心的实现　49

2.3.3　降级预案　51

2.4　超时　52

2.4.1　超时的重要性　52

2.4.2　设置任务的超时时间　53

2.5　限流　55

2.5.1　限流的4种算法　55

2.5.2　自适应限流算法　59

2.6　隔离　62

2.6.1　动静隔离　63

2.6.2　物理隔离　68

2.6.3　线程隔离　69

2.6.4　快慢隔离　70

2.6.5　热点数据隔离　71

2.7　小结　71

第3章　冗余　73

3.1　什么是冗余　75

3.2　存储冗余　75

3.2.1　MySQL冗余的实现方式　77

3.2.2　Kafka冗余的实现方式　79

3.3　缓存冗余　81

3.3.1　Memcached冗余的实现方式　82

3.3.2　极端读流量下缓存冗余的实现方式　84

3.3.3　极端写流量下缓存冗余的应对方法　87

3.3.4　缓存数据一致性保证　89

3.3.5　缓存不命中的应对方式　95

3.4　CDN冗余　98

3.4.1　上传系统之殇　99

3.4.2　CDN冗余和调度　101

3.4.3　视频防盗链的实现方式　105

3.5　服务器冗余　107

3.5.1　常见的负载均衡算法　108

3.5.2　故障节点的探测　112

3.5.3　流量爬坡　114

3.6　机房冗余　115

3.6.1　机房冗余的实现方式　115

3.6.2　同城双活　117

3.6.3　两地三中心　119

3.6.4　异地多活　119

3.7　小结　121

第4章　分片　123

4.1　数据库分片　125

4.1.1　常见的数据库分片方式　125

4.1.2　多字段查询　128

4.1.3　数据迁移　129

4.1.4　ID的生成方式　130

4.1.5　分布式系统的数据一致性　134

4.2　缓存分片　139

4.2.1　缓存的分片方式　139

4.2.2　无底洞效应　140

4.3　小结　142

第5章　并发与异步　143

5.1　并发与异步的区别　145

5.2　并发编程的实现方式：池化技术　145

5.2.1　线程池的原理与使用技巧　146

5.2.2　数据库连接池的原理　150

5.3　并发编程的安全性与性能　152

5.3.1　并发编程的安全性　152

5.3.2　并发编程的性能　155

5.4　消息队列　156

5.4.1　消息队列的作用　157

5.4.2　保证消息不丢失　157

5.4.3　保证消息不重复　158

5.4.4　消息延迟的危害　159

5.4.5　消息延迟的优化　160

5.5　小结　162

第6章　高并发系统的运维　163

6.1　全链路监控　165

6.1.1　全链路监控的技术体系　165

6.1.2　分布式追踪系统的构建　168

6.1.3　用户监控系统　171

6.2　报警系统　173

6.2.1　报警的原则　174

6.2.2　常见的报警收敛方法　175

6.3　全链路压测　175

6.3.1　全链路压测的常见误区　176

6.3.2　流量染色　177

6.3.3　流量处理方式　178

6.3.4　影子库表　178

6.3.5　全链路压测系统的架构　179

6.4　故障演练　180

6.4.1　故障演练的原则　181

6.4.2　故障演练的标准执行流程　181

6.4.3　故障演练工具　182

6.5　稳定性保障流程　183

6.5.1　控制变更流程　183

6.5.2　整理SOP文档　185

6.5.3　重视故障复盘机制　185

6.5.4　做好日常系统梳理　186

6.6　小结　187

《高并发系统：设计原理与实践》全书速览

结束语

高并发系统的设计与优化是一个复杂而系统的工程，需要从架构设计、性能优化、弹性扩展等多个方面入手。通过采用分布式架构、缓存与异步处理、数据库优化、弹性扩展等设计原理，结合性能监控与分析、压力测试、故障排查与容错机制等实践方法，可以有效提升系统的性能和稳定性。在实际应用中，还需要根据具体的业务场景和需求，灵活选择合适的技术方案，以应对高并发带来的挑战。尤其是在数字化浪潮的推动下，高并发系统已成为现代互联网和信息技术领域的核心竞争力。《高并发系统：设计原理与实践》以其系统全面的知识体系、丰富的实践案例和实用的技术细节，为每一位技术从业者提供了宝贵的指导和参考，个人觉得书中不仅深入探讨了高并发系统的历史发展和技术难点，还详细介绍了系统容错、分片技术、并发与异步等关键技术，以及高并发系统的运维管理。无论是初学者还是资深开发人员，都能从中找到提升技术能力、解决实际问题的方法和灵感。最后，高并发系统的建设并非一蹴而就，而是一个持续优化的过程。随着技术的不断进步和业务需求的不断变化，系统架构也需要不断迭代升级，希望本文能够为大家提供一些有价值的参考，帮助大家在高并发系统的设计与实践中取得更好的成果。