一、引子

1-1. TMC 是什麼

TMC ，即“透明多級快取（ Transparent Multilevel Cache ）”，是有贊 PaaS 團隊給公司內應用提供的整體快取解決方案。

TMC 在通用“分散式快取解決方案（如 CodisProxy + Redis ，如有贊自研分散式快取系統 zanKV ）”基礎上，增加了以下功能：

• 應用層熱點探測
• 應用層本地快取
• 應用層快取命中統計

以幫助應用層解決快取使用過程中出現的熱點訪問問題。

1-2. 為什麼要做 TMC

使用有贊服務的電商商家數量和型別很多，商家會不定期做一些“商品秒殺”、“商品推廣”活動，導致“營銷活動”、“商品詳情”、“交易下單”等鏈路應用出現 快取熱點訪問 的情況：

• 活動時間、活動型別、活動商品之類的資訊不可預期，導致 快取熱點訪問 情況不可提前預知；
• 快取熱點訪問 出現期間，應用層少數 **熱點訪問 key ** 產生大量快取訪問請求：衝擊分散式快取系統，大量佔據內網頻寬，最終影響應用層系統穩定性；

為了應對以上問題，需要一個能夠 自動發現熱點 並 將熱點快取訪問請求前置在應用層本地快取 的解決方案，這就是 TMC 產生的原因。

1-3. 多級快取解決方案的痛點

基於上述描述，我們總結了下列 多級快取解決方案 需要解決的需求痛點：

• 熱點探測：如何快速且準確的發現 **熱點訪問 key ** ？
• 資料一致性：前置在應用層的本地快取，如何保障與分散式快取系統的資料一致性？
• 效果驗證：如何讓應用層檢視本地快取命中率、熱點 key 等資料，驗證多級快取效果？
• 透明接入：整體解決方案如何減少對應用系統的入侵，做到快速平滑接入？

TMC 聚焦上述痛點，設計並實現了整體解決方案。以支援“熱點探測”和“本地快取”，減少熱點訪問時對下游分散式快取服務的衝擊，避免影響應用服務的效能及穩定性。

二、 TMC 整體架構

TMC 整體架構如上圖，共分為三層：

• 儲存層：提供基礎的kv資料儲存能力，針對不同的業務場景選用不同的儲存服務（ codis / zankv / aerospike ）；
• 代理層：為應用層提供統一的快取使用入口及通訊協議，承擔分散式資料水平切分後的路由功能轉發工作；
• 應用層：提供統一客戶端給應用服務使用，內建“熱點探測”、“本地快取”等功能，對業務透明；

本篇聚焦在應用層客戶端的“熱點探測”、“本地快取”功能。

三、 TMC 本地快取

3-1. 如何透明

TMC 是如何減少對業務應用系統的入侵，做到透明接入的？

對於公司 Java 應用服務，在快取客戶端使用方式上分為兩類：

• 基於spring.data.redis包，使用RedisTemplate編寫業務程式碼；
• 基於youzan.framework.redis包，使用RedisClient編寫業務程式碼；

不論使用以上那種方式，最終通過JedisPool建立的Jedis物件與快取服務端代理層做請求互動。

TMC 對原生jedis包的JedisPool和Jedis類做了改造，在JedisPool初始化過程中整合TMC“熱點發現”+“本地快取”功能Hermes-SDK包的初始化邏輯，使Jedis客戶端與快取服務端代理層互動時先與Hermes-SDK互動，從而完成 “熱點探測”+“本地快取”功能的透明接入。

對於 Java 應用服務，只需使用特定版本的 jedis-jar 包，無需修改程式碼，即可接入 TMC 使用“熱點發現”+“本地快取”功能，做到了對應用系統的最小入侵。

3-2. 整體結構

3-2-1. 模組劃分

TMC 本地快取整體結構分為如下模組：

• Jedis-Client： Java 應用與快取服務端互動的直接入口，介面定義與原生 Jedis-Client 無異；
• Hermes-SDK：自研“熱點發現+本地快取”功能的SDK封裝， Jedis-Client 通過與它互動來整合相應能力；
• Hermes服務端叢集：接收 Hermes-SDK 上報的快取訪問資料，進行熱點探測，將熱點 key 推送給 Hermes-SDK 做本地快取；
• 快取叢集：由代理層和儲存層組成，為應用客戶端提供統一的分散式快取服務入口；
• 基礎元件： etcd 叢集、 Apollo 配置中心，為 TMC 提供“叢集推送”和“統一配置”能力；

3-2-2. 基本流程

1） key 值獲取

• Java 應用呼叫 Jedis-Client 介面獲取key的快取值時，Jedis-Client 會詢問 Hermes-SDK 該 key 當前是否是 熱點key；
• 對於 熱點key ，直接從 Hermes-SDK 的 熱點模組 獲取熱點 key 在本地快取的 value 值，不去訪問 快取叢集 ，從而將訪問請求前置在應用層；
• 對於非 熱點key ，Hermes-SDK 會通過Callable回撥 Jedis-Client 的原生介面，從 快取叢集 拿到 value 值；
• 對於 Jedis-Client 的每次 key 值訪問請求，Hermes-SDK 都會通過其 通訊模組 將 key訪問事件 非同步上報給 Hermes服務端叢集 ，以便其根據上報資料進行“熱點探測”；

2）key值過期

• Java 應用呼叫 Jedis-Client 的set() del() expire()介面時會導致對應 key 值失效，Jedis-Client 會同步呼叫 Hermes-SDK 的invalid()方法告知其“ key 值失效”事件；
• 對於 熱點key ，Hermes-SDK 的 熱點模組 會先將 key 在本地快取的 value 值失效，以達到本地資料強一致。同時 通訊模組 會非同步將“ key 值失效”事件通過 etcd叢集 推送給 Java 應用叢集中其他 Hermes-SDK 節點；
• 其他Hermes-SDK節點的 通訊模組 收到 “ key 值失效”事件後，會呼叫 熱點模組 將 key 在本地快取的 value 值失效，以達到叢集資料最終一致；

3）熱點發現

• Hermes服務端叢集 不斷收集 Hermes-SDK上報的 key訪問事件，對不同業務應用叢集的快取訪問資料進行週期性（3s一次）分析計算，以探測業務應用叢集中的熱點key列表；
• 對於探測到的熱點key列表，Hermes服務端叢集 將其通過 etcd叢集 推送給不同業務應用叢集的 Hermes-SDK 通訊模組，通知其對熱點key列表進行本地快取；

4）配置讀取

• Hermes-SDK 在啟動及執行過程中，會從 Apollo配置中心 讀取其關心的配置資訊（如：啟動關閉配置、黑白名單配置、etcd地址...）；
• Hermes服務端叢集 在啟動及執行過程中，會從 Apollo配置中心 讀取其關心的配置資訊（如：業務應用列表、熱點閾值配置、 etcd 地址...）；

3-2-3. 穩定性

TMC本地快取穩定性表現在以下方面：

• 資料上報非同步化：Hermes-SDK 使用rsyslog技術對“ key 訪問事件”進行非同步化上報，不會阻塞業務；
• 通訊模組執行緒隔離：Hermes-SDK 的 通訊模組 使用獨立執行緒池+有界佇列，保證事件上報&監聽的I/O操作與業務執行執行緒隔離，即使出現非預期性異常也不會影響基本業務功能；
• 快取管控：Hermes-SDK 的 熱點模組 對本地快取大小上限進行了管控，使其佔用記憶體不超過 64MB（LRU），杜絕 JVM 堆記憶體溢位的可能；

3-2-4. 一致性

TMC 本地快取一致性表現在以下方面：

• Hermes-SDK 的 熱點模組 僅快取 熱點key 資料，絕大多數非熱點 key 資料由 快取叢集 儲存；
• 熱點key 變更導致 value 失效時，Hermes-SDK 同步失效本地快取，保證 本地強一致；
• 熱點key 變更導致 value 失效時，Hermes-SDK 通過 etcd叢集 廣播事件，非同步失效業務應用叢集中其他節點的本地快取，保證 叢集最終一致；

四、TMC熱點發現

4-1. 整體流程

TMC 熱點發現流程分為四步：

• 資料收集：收集 Hermes-SDK 上報的 key訪問事件；
• 熱度滑窗：對 App 的每個 Key ，維護一個時間輪，記錄基於當前時刻滑窗的訪問熱度；
• 熱度匯聚：對 App 的所有 Key ，以<key,熱度>的形式進行 熱度排序彙總；
• 熱點探測：對 App ，從 熱Key排序彙總 結果中選出 TopN的熱點Key ，推送給 Hermes-SDK；

4-2. 資料收集

Hermes-SDK 通過本地rsyslog將 key訪問事件 以協議格式放入 kafka ，Hermes服務端叢集 的每個節點消費 kafka 訊息，實時獲取 key訪問事件。

訪問事件協議格式如下：

• appName：叢集節點所屬業務應用
• uniqueKey：業務應用 key訪問事件 的 key
• sendTime：業務應用 key訪問事件 的發生時間
• weight：業務應用 key訪問事件 的訪問權值

Hermes服務端叢集 節點將收集到的 key訪問事件 儲存在本地記憶體中，記憶體資料結構為Map<String, Map<String, LongAdder>>，對應業務含義對映為Map< appName , Map< uniqueKey , 熱度 >>。

4-3. 熱度滑窗

4-3-1. 時間滑窗

Hermes服務端叢集 節點，對每個App的每個 key ，維護了一個 時間輪：

• 時間輪中共10個 時間片，每個時間片記錄當前 key 對應 3 秒時間週期的總訪問次數；
• 時間輪10個時間片的記錄累加即表示當前 key 從當前時間向前 30 秒時間視窗內的總訪問次數；

4-3-2. 對映任務

Hermes服務端叢集 節點，對每個 App 每3秒 生成一個 對映任務 ，交由節點內 “快取對映執行緒池” 執行。對映任務 內容如下：

• 對當前 App ，從Map< appName , Map< uniqueKey , 熱度 >>中取出 appName 對應的Map Map< uniqueKey , 熱度 >>；
• 遍歷Map< uniqueKey , 熱度 >>中的 key ，對每個 key 取出其熱度存入其 時間輪 對應的時間片中；

4-4. 熱度匯聚

完成第二步“熱度滑窗”後，對映任務 繼續對當前 App 進行“熱度匯聚”工作：

• 遍歷 App 的 key ，將每個 key 的 時間輪 熱度進行彙總（即30秒時間視窗內總熱度）得到探測時刻 滑窗總熱度；
• 將 < key , 滑窗總熱度 > 以排序集合的方式存入 Redis儲存服務 中，即 熱度匯聚結果；

4-5. 熱點探測

• 在前幾步，每3秒 一次的 對映任務 執行，對每個 App 都會產生一份當前時刻的 熱度匯聚結果 ；
• Hermes服務端叢集 中的“熱點探測”節點，對每個 App ，只需週期性從其最近一份 熱度匯聚結果 中取出達到熱度閾值的 TopN 的 key 列表，即可得到本次探測的 熱點key列表；

TMC 熱點發現整體流程如下圖：

4-6. 特性總結

4-6-1. 實時性

Hermes-SDK基於rsyslog + kafka 實時上報 key訪問事件。 對映任務 3秒一個週期完成“熱度滑窗” + “熱度匯聚”工作，當有 熱點訪問場景 出現時最長3秒即可探測出對應 熱點key。

4-6-2. 準確性

key 的熱度匯聚結果由“基於時間輪實現的滑動視窗”匯聚得到，相對準確地反應當前及最近正在發生訪問分佈。

4-6-3.擴充套件性

Hermes服務端叢集 節點無狀態，節點數可基於 kafka 的 partition 數量橫向擴充套件。

“熱度滑窗” + “熱度匯聚” 過程基於 App 數量，在單節點內多執行緒擴充套件。

五、TMC實戰效果

5-1. 快手商家某次商品營銷活動

有贊商家通過快手直播平臺為某商品搞活動，造成該商品短時間內被集中訪問產生訪問熱點，活動期間 TMC 記錄的實際熱點訪問效果資料如下：

5-1-1. 某核心應用的快取請求&命中率曲線圖

• 上圖藍線為應用叢集呼叫get()方法訪問快取次數
• 上圖綠線為獲取快取操作命中 TMC 本地快取的次數

• 上圖為本地快取命中率曲線圖

可以看出活動期間快取請求量及本地快取命中量均有明顯增長，本地快取命中率達到近 80% （即應用叢集中 80% 的快取查詢請求被 TMC 本地快取攔截）。

5-1-2. 熱點快取對應用訪問的加速效果

• 上圖為應用介面QPS曲線

• 上圖為應用介面RT曲線

可以看出活動期間應用介面的請求量有明顯增長，由於 TMC 本地快取的效果應用介面的 RT 反而出現下降。

5-2. 雙十一期間部分應用 TMC 效果展示

5-2-1. 商品域核心應用效果

5-2-2. 活動域核心應用效果

六、TMC功能展望

在有贊， TMC 目前已為商品中心、物流中心、庫存中心、營銷活動、使用者中心、閘道器&訊息等多個核心應用模組提供服務，後續應用也在陸續接入中。

TMC 在提供“熱點探測” + “本地快取”的核心能力同時，也為應用服務提供了靈活的配置選擇，應用服務可以結合實際業務情況在“熱點閾值”、“熱點key探測數量”、“熱點黑白名單”維度進行自由配置以達到更好的使用效果。

最後， TMC 的迭代還在持續進行中...