单元化架构，为什么要用以及我们如何做到

微博粉丝服务平台在单元化架构方面的实践已经在 QCon 讲过，这次重又写起文章，我想传播知识已经不那么重要（单元化架构不是创新，稍后会详细介绍），更重要的是还是希望能够借此引起诸位的思考，能够在架构层面多投入精力思考和尝试。

为什么要有架构实践？

很多人喜欢的是细节，因为有句名言叫魔鬼在细节里，于是都去细节里寻找魔鬼。但是打败了魔鬼就能看到天使么？未必。细节其实是最容易掌握的部分，细节之外还有很多。就像有了水泥和沙子，你能够做出混凝土，但是离建成高楼大厦还有很长的路要走一样，你要学着去设计架构。

但是事情并没有完，就像没有唯一的真理一样，架构也并不是只有一种。你不可能一朝学会，从此天下无敌。如果要赈灾，你需要的是帐篷，如果要重建，你需要的是瓦房。不同的住所需要的是不同的架构。

不同的服务也需要不同的架构设计，这也就是我们需要架构实践的重要原因。在这之后的原因，是我们做任何服务，都要考虑服务的性能和成本。

但优化有很多方式，为什么是架构呢？诚然，从硬件到操作系统，从共享库到应用软件，从算法到架构，每一层都可以优化，但每一层所做的工作量和收益也都是不同的。架构可能是需要投入最多精力的，但在很多时候却也是很少的可以提供超过数量级的提升方式。

所以，思维方式的转变才是你最应该在意的部分，单元化只是一个例子，而粉丝服务平台只是这个例子的例子，而已。

言归正传，接下来本文将从三个问题来介绍这次实践，单元化是什么，为什么要用以及我们如何做到的。

1. 单元化是什么

单元化架构是从并行计算领域发展而来。在分布式服务设计领域，一个单元（Cell）就是满足某个分区所有业务操作的自包含的安装。而一个分区（Shard），则是整体数据集的一个子集，如果你用尾号来划分用户，那同样尾号的那部分用户就可以认为是一个分区。单元化就是将一个服务设计改造让其符合单元特征的过程。

图 1 ：洋葱细胞的显微镜截图，单元化要达到的目的就是让每个单元像细胞一样独立工作

在传统的服务化架构下（如下图），服务是分层的，每一层使用不同的分区算法，每一层都有不同数量的节点，上层节点随机选择下层节点。当然这个随机是比较而言的。

图 2 ：传统的服务化架构，为伸缩性设计，上层节点随机选择下层节点

与其不同的是，在单元化架构下，服务虽然分层划分，但每个单元自成一体。按照层次来讲的话，所有层使用相同的分区算法，每一层都有相同数量的节点，上层节点也会访问指定的下层节点。因为他们已经在一起。

图 3 ：单元化架构，为性能和隔离性而设计，上层节点访问指定下层节点

2. 为什么要用单元化

在性能追求和成本限制的情况下，我们需要找到一种合适的方法来满足服务需求。在传统的分布式服务设计，我们考虑的更多是每个服务的可伸缩性，当各个服务独立设计时你就要在每一层进行伸缩性的考虑。这是服务化设计（SOA）流行的原因，我们需要每个服务能够单独水平扩展。

但是在摩尔定律下，随着硬件的不断升级，计算机硬件能力已经越来越强，CPU 越来越快，内存越来越大，网络越来越宽。这让我们看到了在单台机器上垂直扩展的机会。尤其是当你遇到一个性能要求和容量增长可以预期的业务，单元化给我们提供另外的机会，让我们可以有效降低资源的使用，提供更高性能的服务。

总体而言，更高性能更低成本是我们的主要目标，而经过单元化改造，我们得以用更少（约二分之一）的机器，获得了比原来更高（接近百倍）的性能。性能的提升很大部分原因在于服务的本地化，而服务的集成部署又进一步降低了资源的使用。

当然除了性能收益，如果你做到了，你会发现还有很多收益，比如更好的隔离性，包括请求隔离和资源隔离，比如更友好的升级，产品可以灰度发布等。单元化改造后对高峰的应对以及扩容方式等问题，各位可以参考#微博春节技术保障系列#中的单元化架构文章，也不在此一一赘述。

3. 我们如何做到

此次单元化改造基于微博现有的业务，因此这里也先行介绍一下。粉丝服务平台是微博的内容推送系统（代号 Castalia），可为 V 用户提供向其粉丝推送高质量内容的高速通道（单元化之后已到达百万条每秒）。整个服务涉及用户筛选、发送计费、屏蔽检查、限流控制和消息群发等多个子服务。由于改造思想相通，这里以用户筛选和消息群发两个服务为例，下面两图分别为商业群发在服务化思想和单元化思想下不同的架构。

图 4： 服务化思想下的商业群发架构设计（旧版）

图 5 ：商业群发在单元化思想下的架构设计（新版）

对于筛选服务，在服务化架构里，需要去粉丝服务获取粉丝关系，然后去特征服务进行用户特征筛选，最后将筛选结果传输到群发服务器上；而在单元化架构里，粉丝关系直接就在本地文件中，用户特征服务也在本地，最后的筛选结果再不需要传输。服务本地化（粉丝关系和用户特征存储）减去了网络开销，降低了服务延时，还同时提高了访问速度和稳定性，而筛选结果本地存储又进一步节省了带宽并降低了延迟。以百万粉丝为例，每次网络操作的减少节省带宽 8M 左右，延时也从 400ms 降为 0。

群发服务同样如此。由于在服务化架构里，我们使用 MySQL 和 Memcache 的方案，由于关系数据库的写入性能问题，中间还有队列以及相应的队列处理机，所有四个模块都有单独的机器提供服务，而在单元化架构里，四合一之后，只需要一套机器。当然机器的配置可能会有所提升，但真正计算之后你就会发现其实影响微乎其微。原因除了前面介绍的硬件增长空间外，上架机器的基本配置变高也是一个原因。而且，在单元化方案里，当我们把缓存部署在本地之后，其性能还有了额外的 20% 提升。

一些业务特有问题

不过群发这个场景，我们也遇到了一些特定的问题，一是分区问题，一是作业管理。这里也与各位分享下我们的解决方法。

1. 分区问题

分区问题其实是每个服务都会遇到的，但单元化后的挑战在于让所有服务都适配同一分区算法，在我们的场景下，我们按照接收者进行了分区，即从底层往上，每一层都来适配此分区算法。

这里有特例的是用户特征和屏蔽服务，由于总体容量都很小，我们就没有对数据进行分区，所有单元内都是同一套全量数据，都是一个外部全量库的从库。不过由于本单元内的上层服务的关系，只有属于本分区的用户数据被访问到。所以，适配同一分区算法在某种程度上讲，可以兼容即可。
2. 作业管理

按照前面的分区方式，将群发服务的整体架构变成了一个类似 Scatter-Gather+CQRS 的方案，因为 Gather 不是一个请求处理的必须要素。也就是说，一个群发请求会被扩散到所有单元中，每个单元都要针对自己分区内的用户处理这个群发请求。

广播方式的引入，使得我们首先需要在前端机进行分单元作业的处理监控，我们在此增加了持久化队列来解决。同时，由于单元内每个服务也都是单独维护的，作业可能在任何时间中断，因此每个作业在单元内的状态也都是有记录的，以此来达到作业的可重入和幂等性，也就可以保证每个作业都可以在任何时间重做，但不会重复执行。

除此之外，我们还对服务器进行了更为精细的控制，使用 CPU 绑定提高多服务集成部署时的整体效率，使用多硬盘设计保证每个服务的 IO 性能，通过主从单元的读写分离来提高整体服务等等。

后记

我平时不善文章，现在要成文发表，还是有一点紧张的。不过想到或许可以抛砖引玉，有机会向各位大牛学习，或者跟各位同学一起交流，内心又有些许期待。关于微博或者其他任何网站的设计，欢迎大家一起探讨，随时在微博恭候。

感谢马国耀对本文的审校。

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