【架构设计】高并发IM系统架构优化实践

作者简介：

少强，网名无衣蒹葭，阿里云资深工程师，主要做分布式存储和搜索相关的工作。

摘要： 介绍如何设计一个稳定、高并发、消息保序的IM系统，以及如何通过使用存储层的高级功能来优化系统架构。

在构建社交IM和朋友圈应用时，一个基本的需求是将用户发送的消息和朋友圈更新及时准确的更新给该用户的好友。为了做到这一点，通常需要为用户发送的每一条消息或者朋友圈更新设置一个序号或者ID，并且保证递增，通过这一机制来确保所有的消息能够按照完整并且以正确的顺序被接收端处理。当消息总量或者消息发送的并发数很大的时候，我们通常选择NoSQL存储产品来存储消息，但常见的NoSQL产品都没有提供自增列的功能，因此通常要借助外部组件来实现消息序号和ID的递增，使得整体的架构更加复杂，也影响了整条链路的延时。

功能介绍

表格存储新推出的主键列递增功能可以有效地处理上述场景的需求。具体做法如下：

在创建表时，声明主键中的某一列为自增列，在写入一行新数据的时候，应用无需为自增列填入真实值，只需填入一个占位符，表格存储系统在接收到这一行数据后会自动为自增列生成一个值，并且保证在相同的分区键范围内，后生成的值比先生成的值大。

主键列自增功能具有以下几个特性：

表格存储独有的系统架构和主键自增列实现方式，可以保证生成的自增列的值唯一，且严格递增。
目前支持多个主键，第一个主键为分区键，为了数据的均匀分布，不允许设置分区健为自增列。
因为分区健不允许设置为自增列，所以主键列自增是分区键级别的自增。
除了分区键外，其余主键中的任意一个都可以被设置为递增列。
对于每张表，目前只允许设置一个主键列为自增列。
属性列不允许设置为自增列。
自增列自动生成的值为 64位的有符号长整型。
自增列功能是表级别的，同一个实例下面可以有自增列的表，也可以有非自增列的表。
仅支持在创建表的时候设置自增列，对于已存在的表不支持升级为自增列。

介绍了表格存储的主键列自增功能后，下面通过具体的场景介绍下如何使用。

场景

接下来通过构建一个IM聊天工具，演示主键列自增功能的作用和使用方法。

我们要做的IM聊天软件需要支持下列功能：

支持用户一对一聊天
支持用户群组内聊天
支持同一个用户的多终端消息同步

现有架构

确认消息模型

上图展示这一消息模型
发送方发送了一条消息后，消息会被客户端推送给后台系统
后台系统会先存储消息
存储成功后，会推送消息给接收方的客户端

确认后台架构

后台架构主要分为两部分：逻辑层和存储层。
逻辑层包括应用服务器，队列服务和自增ID生成器，是整个后台架构的核心，处理消息的接收、推送、通知，群消息写复制等核心业务逻辑。
存储层主要是用来持久化消息数据和其他一些需要持久化的数据。
对于一对一聊天，发送方发送消息给应用服务器后，应用服务器将消息存到接收方为主键的表中，同时通知应用服务器中的消息推送服务有新消息了，消息推送服务会将上次推送给接收方的最后一条消息的消息ID作为起始主键，从存储系统中读取之后的所有消息，然后将消息推送给接收方。
对于群组内的聊天，逻辑会更加复杂，需要通过异步队列来完成消息的扩散写，也就是说发到群组内的一条消息会给群组内的每个人都存一份。

上图展示了省略掉存储层后的群消息发送过程。使用扩散写而非扩散读，主要是由于以下两点原因：

群组内成员一般都不多，存储成本并不高，而且有压缩，成本更低。
消息扩散写到每个人的存储中（收件箱）后，为每个接收方推送消息时，只需要检查自己的收件箱即可，这时候，群聊和单聊的处理逻辑一样，实现简单。

发送消息的过程如下：

发送方发送了一条消息后，这条消息被客户端推送给应用服务器，应用服务器根据接收者的ID，将消息分发给其中一个队列，同一个接收者的消息位于同一个队列中，在队列中，顺序的处理每条消息，先从自增ID生成器中获取一个新的消息ID，然后将这条消息写入表格存储系统。写成功后再写入下一条消息。

同一个接收方的消息会尽量在一个队列中，一个队列中可能会有多个接收方的消息。群组内聊天时可能会出现同一个时刻两个用户同时发送了消息，这两个消息可能会进入不同的应用服务器，但是应用服务器会将同一个接收方的消息发给同一个队列服务，这时候，对于同一个接收方，这两条消息就会处于同一个队列中，如下图：

每个队列中的数据串行处理，每次写入表格存储的时候，分配一个新的ID，比之前的ID要大，为了保证消息可以严格递增，避免前一个消息写失败导致无法严格递增的情况出现，需要在写入数据到存储系统的时候，持有一个用户级别的锁，在没有写成功之前，同用户的其他消息不能继续写，以免当前消息写失败后导致乱序，当写成功后，释放这个锁，下一个消息继续。

上一步中，如果队列宕机，这些消息需要重新处理，这时候，原有消息就会进入一个新的队列，这时候新的队列需要一个新的消息ID，但要比之前已有的消息ID更大，而这个新队列并不知道之前的最大ID是啥，所以，这里每个队列没法自主创建自增ID，而需要一个全局的自增ID生成器。

为了支持多终端，在应用服务器中会为每个终端持有一个session，每个session持有一个当前最新消息的ID，当被通知有新消息时，会去存储系统读取当前消息之后的所有消息，这样就保证了多终端同时在线时，每个终端都可以同步消息，且相互不影响，见下图。

在多终端中，如果有部分终端由在线变成了离线，那么应用服务器会将这个终端的session保存到存储系统的另一张表中，当一段时间后，这个终端再次上线时，可以从存储系统中恢复出之前的session，继续为此终端推送之前未读取的消息。

确认存储系统

存储系统，我们选择了阿里云的表格存储，主要是因为下列原因：

写操作不仅支持单行写，也支持多行批量写，满足大并发写数据需求。
支持按范围读，消息多时可翻页。
支持数据生命周期管理，对过期数据进行自动清理，节省存储费用
表格存储是阿里云已经商业化的云服务，稳定可靠。
表格存储价格便宜，对于数据量大的用户还可以以更优惠的价格购买套餐。
读写性能优秀，对于聊天消息，延迟基本在毫秒，甚至微妙级别。

确定表结构

确定的表格存储的表结构如下：

表格存储的表结构分为两部分，主键列部分和属性列部分，主键列部分最多支持4个主键，第一个主键为分区健。
使用前，需要确定主键列部分的结构，使用过程中不能修改；属性列部分是Schema Free的，用户可以自由定制，每一行数据的属性列部分可以不一样，所以，只需要设计主键列部分的结构。
第一个主键是分片键，目的是让数据和请求可以均衡分布，避免热点，由于最终读取消息时是要按照接收方读取，所以这里可以使用接收方ID作为分片键，为了更加均衡，可以使用接收方ID的md5值的部分区域，比如前4个字符。这样就可以将数据均衡分布了。
第一个主键只用了部分接收方ID，为了能定位到接收方的消息，需要保存完整的接收方ID，所以，可以将接收方ID作为第二个主键。
第三个主键就可以是消息ID了，由于需要查询最新的消息，这个值需要是单调自增的。
属性列可以存消息内容和元数据等。

到此，我们已经设计出了一个完整的聊天系统，虽然这个系统已经可以运行，且能处理大并发，性能也不差，但是还是存在一些挑战。

挑战

多个用户在一个队列中，这个队列串行执行，为了保证消息严格递增，这里执行过程中要持有锁，这里就会有一个风险点：如果发送给某个用户的消息量很大，这个用户所在的队列中消息会变多，就有可能堵塞其他用户的消息，导致同队列的其他用户消息出现延迟。
当出现重大事件或者特定节假日，聊天信息量大的时候，队列部分需要扩容，否则可能扛不住大压力，导致整体系统延迟增大或者崩溃。

针对上述两个问题，问题2可以通过增加机器的方式解决，但是问题1没法通过增加机器解决，增加机器只能缓解问题，却没法彻底解决。那有没有办法可以彻底解决掉上述两个问题？

新架构

上面两个问题的复杂度主要是由于需要消息严格递增引起的，如果使用了表格存储的主键列自增功能，那么上层的应用层就会简单的多。

使用了表格存储**主键列自增功能**后的新架构如下：

最明显的区别是少了队列服务和自增ID生成器两个组件，架构更加简单。
应用服务器接收到消息后，直接将消息写入表格存储，对于主键自增列message_id，在写数据时不需要填确定的值，只需要填充一个特定的占位符即可，这个值会在表格存储系统内部自动生成。
新架构中自增操作是在表格存储系统内部处理的，就算多个应用服务器同时给表格存储中的同一个接收方写数据，表格存储内部也能保证这些消息是串行处理，每个消息都有一个独立的消息ID，且严格递增。那么之前的队列服务就不在需要了。这样也就彻底解决了上面的问题1
表格存储系统是一个云服务，用户并不需要考虑系统的容量，而且表格存储支持按量付费，这样也就彻底解决了上面的问题2