基于Java算法支持4万qps的抽奖代码实战项目案例分享

笔者16年刚入新公司不久时，曾接到一个需求要搞一个从来没搞过的抽奖项目。做摇一摇、大转盘等抽奖业务。和两个小伙伴一起，我负责服务端抽奖的所有接口，他们负责后台抽奖数据管理，一周时间搞定。当时由于刚进公司，对公司产品流量没什么经验数据，某个同事给的方案是抽奖过程查数据、存数据走Mysql数据库。刚上线时还算顺利，流量确实不是很高，但也吃紧吧。不久恰逢公司想做大力度活动，筹划了一个百万红包雨，几乎是没有开发时间的。当时产品找过来要求前端直接对接我们接口。我给的评估是流量太高，走数据库肯定撑不住的，但是大家都是新人，都不知道会有多少流量会进来，这个活动也是第一次做，时间上似乎确实是来不及了。最后强行对接了我们的抽奖接口。后果是，系统大面积瘫痪，3分钟写入几十万数据，严重线上事故。。。

事故之后，便是反思以及做系统改造，使其能够支撑现有业务。于是，我这边负责抽奖服务的改造工作。经过一系列改造和压测后，抽奖服务的性能达到了4万qps，基本满足了业务的要求。下面简单分享下我的项目改造的一些实战经验吧。

一、抽奖算法模型

以下是省略了相关业务、额外算法的单纯根据配置计算中奖概率的算法代码，方便读者理解算法

图示，阐述了算法原理，计算出抽奖活动一组数字，根据抽奖奖品的概率计算出每个奖品所在的数字区间。Random随机数落在了哪个奖品的数字区间，则用户中这个区间对应的奖品。

1）抽奖奖品对象

public class LotteryItem {
    /**
     * 奖品名称
     */
    private String awardName;
    
    /**
     * 中奖几率
     */
    private Double awardProbability;
    /**
     * 奖品中奖数字范围起点
     */
    private Integer awardStartCode;
    /**
     * 奖品中奖数字范围终点
     */
    private Integer awardEndCode;
    
    /**
     * 中奖数字，实际应用可不定义。
     * 此处定义是为了方便读者理解
     */
    private Integer awardCode;
    
    public String getAwardName() {
        return awardName;
    }

    public void setAwardName(String awardName) {
        this.awardName = awardName;
    }
    public Double getAwardProbability() {
        return awardProbability;
    }

    public void setAwardProbability(Double awardProbability) {
        this.awardProbability = awardProbability;
    }

    public Integer getAwardStartCode() {
        return awardStartCode;
    }

    public void setAwardStartCode(Integer awardStartCode) {
        this.awardStartCode = awardStartCode;
    }

    public Integer getAwardEndCode() {
        return awardEndCode;
    }

    public void setAwardEndCode(Integer awardEndCode) {
        this.awardEndCode = awardEndCode;
    }

    public Integer getAwardCode() {
        return awardCode;
    }

    public void setAwardCode(Integer awardCode) {
        this.awardCode = awardCode;
    };
}

2) 抽奖信息对象

/**
 * @description: 抽奖活动中，中奖概率计算模型
 * @author www.ityuan.com
 * @date 2017年12月28日 上午11:48:02
 */
public class Lottery {
    /**
     * 中奖数字范围起点（通常0作为起点）
     */
    private Integer winningStartCode;
    /**
     * 当前概率计算出的中奖数字范围终点
     */
    private Integer winningEndCode;
    
    /**
     * 中奖的数字范围
     */
    private Integer codeScope;

    public Integer getWinningStartCode() {
        return winningStartCode;
    }

    public void setWinningStartCode(Integer winningStartCode) {
        this.winningStartCode = winningStartCode;
    }

    public Integer getWinningEndCode() {
        return winningEndCode;
    }

    public void setWinningEndCode(Integer winningEndCode) {
        this.winningEndCode = winningEndCode;
    }

    public Integer getCodeScope() {
        return codeScope;
    }

    public void setCodeScope(Integer codeScope) {
        this.codeScope = codeScope;
    }
    
}

3）抽奖算法代码

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
/**
 * @description: TODO(这里用一句话描述这个类的作用)
 * @author www.ityuan.com
 * @date 2017年12月28日 下午9:24:40
 */
public class LotteryUtils {
    private static final Random random = new Random();
    private static final Integer MAXSOPE = 100000000;

    public static void calAwardProbability(Lottery lottery, List<LotteryItem> lotteryItemList) {
        Integer codeScope = 1;
        for (LotteryItem item : lotteryItemList) {
            Integer nowScope = 1;
            Double awardProbability = item.getAwardProbability();
            while (true) {
                Double test = awardProbability * nowScope;
                // 概率的精确度，调整到小数点后10位，概率太小等于不中奖，跳出
                if (test < 0.0000000001) {
                    break;
                }
                if ((test >= 1L && (test - test.longValue()) < 0.0001D) || nowScope >= MAXSOPE) {
                    if (nowScope > codeScope) {
                        // 设置中奖范围
                        codeScope = nowScope;
                    }
                    break;
                } else {
                    // 中奖数字范围以10倍进行增长
                    nowScope = nowScope * 10;
                }
            }
        }
        Integer winningStartCode = 0;
        Integer winningEndCode = winningStartCode;

        for (LotteryItem item : lotteryItemList) {
            Integer codeNum = (int) (item.getAwardProbability() * codeScope); // 获得其四舍五入的整数值
            // 无人中奖时，将中奖的起始范围设置在随机数的范围之外
            if (codeNum == 0) {
                item.setAwardStartCode(codeScope + 1);
                item.setAwardEndCode(codeScope + 1);
            } else {
                item.setAwardStartCode(winningEndCode);
                item.setAwardEndCode(winningEndCode + codeNum - 1);
                winningEndCode = winningEndCode + codeNum;
            }
        }
        // 设置用户的中奖随机码信息
        lottery.setWinningStartCode(winningStartCode);
        lottery.setWinningEndCode(winningEndCode);
        lottery.setCodeScope(codeScope);
    }

    public static LotteryItem beginLottery(Lottery lottery, List<LotteryItem> lotteryItemList) {
        // 确定活动是否有效,如果活动无效则，直接抽奖失败
        Integer randomCode = random.nextInt(lottery.getCodeScope());
        if (randomCode >= lottery.getWinningStartCode() && randomCode <= lottery.getWinningEndCode()) {
            for (LotteryItem item : lotteryItemList) {
                if (randomCode >= item.getAwardStartCode() && randomCode <= item.getAwardEndCode()) {
                    item.setAwardCode(randomCode);
                    return item;
                }
            }
        }
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<LotteryItem> lotteryItemList = new ArrayList<LotteryItem>();
        LotteryItem awardItem1 = new LotteryItem();
        awardItem1.setAwardName("红包10元");
        awardItem1.setAwardProbability(0.25D);
        lotteryItemList.add(awardItem1);

        LotteryItem awardItem2 = new LotteryItem();
        awardItem2.setAwardName("红包20元");
        awardItem2.setAwardProbability(0.25D);
        lotteryItemList.add(awardItem2);

        LotteryItem awardItem3 = new LotteryItem();
        awardItem3.setAwardName("谢谢参与");
        awardItem3.setAwardProbability(0.5D);
        lotteryItemList.add(awardItem3);

        Lottery lottery = new Lottery();
        LotteryUtils.calAwardProbability(lottery, lotteryItemList);
        System.out.println("抽奖活动中奖数字范围：["+lottery.getWinningStartCode()+","+lottery.getWinningEndCode()+")");
        LotteryUtils.beginLottery(lottery, lotteryItemList);
        for (LotteryItem item : lotteryItemList) {
            System.out.println(item.getAwardName()+" 中奖数字范围：["+item.getAwardStartCode()+","+item.getAwardEndCode()+"]");
        }
        System.out.println("以下是模拟的抽奖中奖结果：");
        LotteryItem award1 = LotteryUtils.beginLottery(lottery, lotteryItemList);
        System.out.println("抽中的数字是："+award1.getAwardCode()+",恭喜中奖："+award1.getAwardName()+",数字落点["+award1.getAwardStartCode()+","+award1.getAwardEndCode()+"]");
        LotteryItem award2 = LotteryUtils.beginLottery(lottery, lotteryItemList);
        System.out.println("抽中的数字是："+award2.getAwardCode()+",恭喜中奖："+award2.getAwardName()+",数字落点["+award2.getAwardStartCode()+","+award2.getAwardEndCode()+"]");
        LotteryItem award3 = LotteryUtils.beginLottery(lottery, lotteryItemList);
        System.out.println("抽中的数字是："+award3.getAwardCode()+",恭喜中奖："+award3.getAwardName()+",数字落点["+award3.getAwardStartCode()+","+award3.getAwardEndCode()+"]");
        LotteryItem award4 = LotteryUtils.beginLottery(lottery, lotteryItemList);
        System.out.println("抽中的数字是："+award4.getAwardCode()+",恭喜中奖："+award4.getAwardName()+",数字落点["+award4.getAwardStartCode()+","+award4.getAwardEndCode()+"]");
    }

}

抽奖Demo代码执行结果

抽奖活动中奖数字范围：[0,100)
红包10元 中奖数字范围：[0,24]
红包20元 中奖数字范围：[25,49]
谢谢参与 中奖数字范围：[50,99]
以下是模拟的抽奖中奖结果：
抽中的数字是：47,恭喜中奖：红包20元,数字落点[25,49]
抽中的数字是：69,恭喜中奖：谢谢参与,数字落点[50,99]
抽中的数字是：22,恭喜中奖：红包10元,数字落点[0,24]
抽中的数字是：83,恭喜中奖：谢谢参与,数字落点[50,99]

二、对核心电商系统的保护

如果因为成本控制原因，当电商系统的硬件耐压能力有限时，抽奖活动带来的瞬间高频流量可能会将防火墙击溃，从而导致整个电商或者其他正常业务受影响。这时候就需要考虑将抽奖系统与正常业务系统的环境进行隔离。例如，将抽奖系统迁移到阿里云上部署或者其他次要机房。

三、系统的过载保护

系统的过载保护目的是当流量超出预期时，自动过滤一部分流量，防止系统被拖垮。

常用的过载保护思路，大多是基于漏桶算法思想或者信号量控制。

例如：java自带的Semaphore 或者Google Guava

Semaphore semaphore = new Semaphore(10);
 if (semaphore.tryAcquire()) {// （非阻塞式）
     // 获得许可证才可进行下一步操作
     // semaphore.acquire();（阻塞式）
     // dos somethine
    // 释放许可证
    semaphore.release();
}

四、前端的空包策略

在预估流量过高的情况下，可以前端采用空包的策略。即用户发起的抽奖一定概率下不调用后端接口服务，直接返回未中奖。防止过多的请求流向后端服务。

五、数据的存储策略，压测支持4万qps

如果数据查询直接走数据库，在不可预计的高频流量下，极有可能拖垮数据库，从而导致整个服务崩溃。所以，要支持高并发、高流量，需采用高效的缓存策略以及耐压的数据存储服务。

1）  本地缓存策略，抽奖的基础数据因为数据量不大，可以放入到本地缓存中。从而进行高效读取。

2）  Redis缓存策略，数据查询先走本地缓存，再走Redis缓存，最后走MySql，也就是说几乎彻底隔离了抽奖过程中与数据库的直接打交道。

 

六、高并发下抽奖如何防止奖品因为并发超量发奖？

采用Redis的自增策略，可在高效抽奖的同时并保证类似数据库乐观锁的方式，来实现抽奖的奖品不会被超量抽中奖。实现方式如下：

参考Redis的封装：http://www.ityuan.com/coding/385.html

封装一个Redis的工具类：RedisUtils以及方法inc。RedisUtils.inc(“key”) 每执行一次，返回值自增+1。那么：

RedisUtils.inc(“Prefix”+lotteryItemId) 自增值大于奖品lotteryItem的最大可发奖品数num时，则返回谢谢参与或者未中奖即可。

 七、中奖记录的保存、抽取、发奖

1）              用户中奖后，将中奖记录保存Redis中。为方便将数据取出，需要通过Redis构造一个自增主键（incKey）与抽奖活动ID构建缓存的Key。我们暂且将它命名为：lotteryAwardKey。

lotteryAwardKey = "prefix"+lotteryId+"_"+incValue。

incValue从1开始自增。nowIncValue=RedisUtils.inc(lotteryAwardKey);

2）              将中奖记录抽取并批量insert进入Mysql数据库，类似代码如下：

for (int start = awardPageNo;start < nowIncValue;start++) {
   awardList.add(RedisUtils.get("prefix”+lotteryId+"_"+start));
}

（这里awardPageNo为尚未抽取数据的自增值的起点）

3）发奖操作，只需要定时器将Mysql中未发奖的中奖数据捞取，采用多线程发奖即可。

作者采用 IT猿同步助手一键多平台发布， 查看原文