前言
春節期間，無意中看到一篇文章，文章中講到12306的業務複雜度遠遠比淘寶天貓這種電商網站要複雜。後來自己想想，也確實如此。所以，很想挑戰一下12306這個系統的核心領域模型的設計。一般的電商網站，購買都是基於商品的概念，每個商品有一定量的庫存，使用者的購買行為是針對商品的。當使用者發起購買行為時，系統只需要生成訂單並對使用者要購買的商品減庫存即可。但是，12306就不是那麼簡單了，具體複雜在哪裡，我下面會進一步分析。
另外一個讓我寫這篇文章的原因，是我發現也許是否是因為目前12306的核心領域模型設計的不夠好，導致使用者購票時要處理的業務邏輯異常複雜，維護資料一致性的難度也幾百倍的上升，同時面對高併發的訂票也難以支援很高的TPS。我覺得，越是複雜的業務，就越要重視業務分析，重視領域模型的抽象和設計。如果不假思索，憑以往經驗行事，則很可能會被以往的設計經驗先入為主，陷入死衚衕。我發現技術人員往往更注重技術層面的解決方案，比如一上來就分析如何叢集、如何負載均衡、如何排隊、如何分庫分表、如何用鎖，如何用快取等技術問題，而忽略了最根本的業務層面的思考，如分析業務、領域建模。我認為越是複雜的業務系統，則越要設計一個健壯的領域模型。如果一個系統的架構我們設計錯了，還有補救的餘地，因為架構最終沉澱的只是程式碼，調整架構即可（一個系統的架構本身就是不斷演進的）；而如果領域模型設計錯了，那要補救的代價是非常大的，因為領域模型沉澱的是資料結構及其對應的大量資料，對任何一個大型系統，要改核心領域模型都是成本非常高的。
本文的重點不是在如何解決高併發的問題，而是希望從業務角度去分析，12306的理想模型應該是怎麼樣的。網上目前談12306的文章貌似都是千篇一律的只談技術，不談業務分析和如何建模的。所以我想寫一下自己的設計和大家交流學習。
需求概述
12306這個系統，核心要解決的問題是網上售票。涉及到2個角色使用該系統：使用者、鐵道部。使用者的核心訴求是查詢餘票、購票；鐵道部的核心訴求是售票。購票和售票其實是一個場景，對使用者來說是購票，對鐵道部來說是售票。因此，我們要設計一個線上的網站系統，解決使用者的查詢餘票、購票，以及鐵道部的售票這3個核心訴求。看起來，這3個場景都是圍繞火車票展開的。
查詢餘票：使用者輸入出發地、目的地、出發日三個條件，查詢可能存在的車次，使用者可以看到每個車次經過的站點名稱，以及每種座位的餘票數量。
購票：購票分為訂票和付款兩個階段，本文重點分析訂票的模型設計和實現思路。
其實還有很多其他的需求，比如給不同的車次設定銷售座位數配額，以及不同的區段設定不同的限額。但相比前面兩個需求來說，我覺得這個需求相對次要一些。
需求分析
確實，12306也是一個電商系統，而且看起來商品就是票了。因為如果把一張票看成是一個商品，那購票就類似於購買商品，然後每張票都有庫存，商品也有庫存的概念。但是如果我們仔細想想，會發現12306要複雜很多，因為我們無法預先確定好所有的票，如果非要確定，那隻能通過窮舉法了。
我們以北京西到深圳北的G71車次高鐵為例（這裡只考慮南下的方向，不考慮深圳北到北京西的，那是另外一個車次，叫G72），它有17個站（北京西是01號站，深圳北是17號站），3種座位（商務、一等、二等）。表面看起來，這不就是3個商品嗎？G71商務座、G71一等座、G71二等座。大部分輕易噴12306的技術人員（包括某些中等規模公司的專家、CTO）就是在這裡栽第一個跟頭的。實際上，G71有136*3=408種商品（408個SKU），怎麼算來的？如下：
如果賣北京西始發的，有16種賣法（因為後面有16個站），北京西到：保定、石家莊、鄭州、武漢、長沙、廣州、虎門、深圳。。。。都是一個獨立的商品，同理，石家莊上車的，有15種下車的可能，以此類推，單以上下車的站來計算，有136種票：16+15+14….+2+1=136。每種票都有3種座位，一共是408個商品。
為了方便後面的討論，我們先明確一下票是什麼？
一張票的核心資訊包括：出發時間、出發地、目的地、車次、座位號。持有票的人就擁有了一個憑證，該憑證表示持有它的人可以坐某個車次的某個座位號，從某地到某地。所以，一張票，對使用者來說是一個憑證，對鐵道部來說是一個承諾；那對系統來說是什麼呢？不知道。這就是我們要分析業務，領域建模的原因，我們再繼續思考吧。
明白了票的核心資訊後，我們再看看G71這個車次的高鐵，可以賣多少張票？
討論前先說明一下，一輛火車的物理座位數（站票也可以看成是一種座位，因為站票也有數量配額）不等於可用的最大配合。所有的物理座位不可能都通過12306網站來銷售，而是隻會銷售一部分，比如40%。其餘的還是會通過線下的方式銷售。不僅如此，可能有些站點上車的人會比較多，有些比較少，所以我們還會給不同的區間配置不同的限額。比如D31北京南至上海共有765張，北京南有260張，楊柳青有80張，泰安有76張。如果楊柳青的80張票售完就會顯示無票，就算其他站有票也會顯示無票的。每個車次肯定會有各種座位的配額和限額的配置的，這種配置我目前無法預料，但我已經把這些規則都封裝近車次聚合根裡了，所有的配置策略都是基於座位型別、站點、區間配置的。關於票的配置抽象出來，我覺得主要有3種：1）某個區段最多允許出多少張；2）某個區段最少允許出多少張；3）某個站點上車的最多多少張；當使用者訂票時，把使用者指定的區段和這3種配置條件進行比較，3個條件都滿足，則可以出票。不滿足，則認為無票了。下面舉個例子：
ABCDEFG，這是所有站點。座位總配額是100，假設B站點上車，E站下車的人比較少，那我們就可以設定BE這個區段最多隻能出10張票。所以，只要是使用者的訂票是在這個區段內的，就最多出10張。再比如，一列車次，總共100個座位配額，希望全程票最少滿足80張，那我們只要給AG這個區段設定最少80張。那任何訂票請求，如果是子區間的，就不能超過100-80，即20張。這兩種條件必須同時滿足，才允許出票。
但是，不管如何做配額和限額，我們總是針對某個車次進行配置，這些配置只是車次內部售票時的一些額外的判斷條件（業務規則），不影響車次模型的核心地位和對外暴露的功能。所以，為了本文討論的清楚起見，我後續的討論都不涉及配額和限額的問題，而是認為任何區段都可以享受火車最大的物理座位數。
並且，為了討論問題方便，我們減少一些站點來討論。假設某個車次有A,B,C,D四個站點。那001這個人購買了A,B這個區間，系統會分配給001一個座位x；但是因為001坐到B站點後會下車，所以相當於x這個座位又空出來了，也就是說，從B站點開始，系統又可以認為x這個座位是可用的。所以，我們得出結論：同一個座位，其實可以同時出售AB,BC這兩張票。通過這個簡單的分析，我們知道，一列火車雖然只有有限的座位數，比如1000個座位。但可以賣出的票遠遠不止1000個。還是以A,B,C,D四個站點為例，假如火車總共有1000個座位，那AB可以賣1000張，BC也可以賣1000張，同樣，CD也可以賣1000張。也就是說，理論上最多可以賣出3000張票。但是如果換一種賣法，所有人都是買ABCD的票，也就是說所有的票都是經過所有站點的，那就是最多隻能賣出1000張票了。而實際的場景，一定是介於1000到3000之間。然後實際的G71這個車次，有17個站，那到底可以賣出多少個票，大家應該可以算了吧。理論上這17個站中的任意兩個站點之間所形成的線段，都可以出售為一張票。我數學不好，算不太清楚，麻煩有數學好的人幫我算算，呵呵。
通過上面的分析，我們知道一張票的本質是某個車次的某一段區間（一條線段），這個區間包含了若干個站點。然後我們還發現，只要區間不重疊，那座位就不會發生競爭，可以被回收利用，也就是說，可以同時預先出售。
另外，經過更深入的分析，我們還發現區間有4種關係：1）不重疊；2）部分重疊；3）完全重疊；4）覆蓋；不重疊的情況我們已經討論過了，而覆蓋也是重疊的一種。所以我們發現如果重疊，比如有兩個區間發生重疊，那重疊部分的區間（可能誇一個或多個站點）是在爭搶座位的。因為假設一列火車有100個座位，那每個原子區間（兩個相鄰站點的連線），最多允許重疊99次。
所以，經過上面的分析，我們知道了一個車次能夠出售一張車票的核心業務規則是什麼？就是：這張車票所包含的每個原子區間的重疊次數加1都不能超過車次的總座位數，實際上重疊次數+1也可以理解為線段的厚度。
模型設計
上面我分析了一下票的本質是什麼。那接下來我們再來看看怎麼設計模型，來快速實現購票的需求，重點是怎麼設計商品聚合以及減庫存的邏輯。
傳統電商的思路
如果按照普通電商的思路，把票（站點區間）設計為商品（聚合根），然後為票設計庫存數量。我個人覺得是很糟糕的。因為一方面這種聚合根非常多（上面的G71就有408個）；另一方面，即便列舉出來了，一次購票也一定會影響非常多其他聚合根的庫存數量（只要被部分或全部重疊的區間都受影響）。這樣的一次訂單處理的複雜度是難以評估的。而且這麼多聚合根的更新要在一個事務裡，這不是為難資料庫嗎？而且，這種設計必然帶來大量的事務的併發衝突，很可能導致資料庫死鎖。總之，我認為這種是典型的由於領域模型的設計錯誤，導致併發衝突高、資料持久化落地困難。或者如果要解決併發問題，只能排隊單執行緒處理，但是仍然解決不了要在一個事務裡修改大量聚合根的尷尬局面。聽說12306是採用了Pivotal Gemfire這種高大上的記憶體資料庫，我對這個不太瞭解。我不可想象要是不使用記憶體資料庫，他們要怎麼實現車次內的票之間的資料強一致性（就是保證所有出售的票都是符合上面討論的業務規則的）？所以，這種設計，我個人認為是思維定勢了，把火車票看成是普通電商的商品來看待。所以，我們有時做設計又要依賴於經驗，又要不能被以往經驗所束縛，真的不容易，關鍵還是要根據具體的業務場景多多深入分析，儘量分析抽象出問題的本質出來，這樣才能對症下藥。那是否有其他的設計思路呢？
我的思路
聚合設計
通過上面的分析我們知道，其實任何一次購票都是針對某個車次的，我認為車次是負責處理訂票的聚合根。我們看看一個車次包含了哪些資訊？一個車次包括了：1）車次名稱，如G71；2）座位數，實際座位數會分型別，比如商務座20個，一等座200個；二等座500個；我們這裡為了簡化問題，可以暫時忽略型別，我認為這個型別不影響核心的模型的設計決策。需要格外注意的是：這裡的座位數不要理解為真實的物理座位數，很有可能比真實的座位數要少。因為我們不可能把一個車次的所有座位都在網上通過12306來出售，而是隻出售一部分，具體出售多少，要由工作人員人工指定。3）經過的站點資訊（包括站點的ID、站點名稱等），注意：車次還會記錄這些站點之間的順序關係；4）出發時間；看過GRASP九大模式中的資訊專家模式的同學應該知道，將職責分配給擁有執行該職責所需資訊的類。我們這個場景，車次具有一次出票的所有資訊，所以我們應該把出票的職責交給車次。另外學過DDD的同學應該知道，聚合設計有一個原則，就是：聚合內強一致性，聚合之間最終一致性。經過上面的分析，我們知道要產生一張票，其實要影響很多和這個票對應的線段相交的其他票的可用數量。因為所有的站點資訊都在車次聚合內部，所以車次聚合內部自然可以維護所有的原子區間，以及每個原子區間的可用票數（相當於是庫存數）。當一個原子區間的可用票數為0的時候，意味著火車針對這個區間的票已經賣完了。所以，我們完全可以讓車次這個聚合根來保證出票時對所有原子區間的可用票數的更新的強一致性。對於車次聚合根來說，這很簡單，因為只是幾次簡單的記憶體操作而已，耗時可以忽略。一列火車假如有ABCD四個站點，那原子區間就是3個。對於G71，則是16個。
怎麼判斷是否能出票
基於上面的聚合設計，出票時扣減庫存的邏輯是：
根據訂單資訊，拿到出發地和目的地，然後獲取這段區間裡的所有的原子區間。然後嘗試將每個原子區間的可用票數減1，如果所有的原子區間都夠減，則購票成功；否則購票失敗，提示使用者該票已經賣完了。是不是很簡單呢？知道了出票的邏輯，那退票的邏輯也就很簡單了，就是把這個票的所有原子區間的可用票數加1就OK了。如果我們從線段的厚度的角度去考慮，那出票時，每個原子區間的厚度就是+1，退票時就是減一。就是相反的操作，但本質是一樣的。
所以，通過這樣的思路，我們將一次訂票的處理控制在了一個聚合根裡，用聚合根內的強一致性的特性保證了訂票處理的強一致性，同時也保證了效能，免去了併發衝突的可能性。傳統電商那種把票單做類似商品的核心聚合根的設計，我當時第一眼看到就覺得不妥。因為這違背了DDD強調的強一致性應該由聚合根來保證、聚合根之間的最終一致性通過Saga來保證的原則。
還有一個很重要的概念我想說一下我的看法，就是座位和區間的關係。因為有些朋友和我講，考慮座位號的問題，雖然都能減1，座位號也必須是同一個。我覺得座位是全域性共享的，和區段無關（也許我的理解完全有誤，請大家指正）。座位是一個物理概念，一個使用者成功購買了一張票後，座位就會少一個，一張票唯一對應一個座位，但是一個座位有可能會對應多張票；而區間是一個邏輯上的概念，區間的作用有兩個：1）表示票的出發地和目的地；2）記錄票的可用數額。如果區間能連通（即該區間內的每個原子區間的可用數額都大於0），則表示允許擁有一個座位。所以，我覺得座位和票（區間）是兩個維度的概念。
如何為票分配座位
我覺得車次聚合根內部應該維護所有該車次已經售出的票，已經出售的票的的本質是區間和座位的對應關係。系統處理訂票時，使用者提交過來的是一段區間。所以，系統應該做兩個事情：
- 先根據區間去判斷是否有可用的座位；
- 如果有可用座位，則再通過演算法去選擇一個可用的座位；
當得到一個可用座位後，就可以生成一張票了，然後儲存這個票到車次聚合根內部即可。下面舉個例子：
假設現在的情況是座位有3個，站點有4個
座位：1,2,3
站點：abcd
票的賣法1：
票1：ab,1
票2：bc,2
票3：cd,3
票4：ac,3
票5：bd,1
這種選座位的方式應該比較高效，因為總是優先從座位池裡去拿座位，只有在萬不得已的時候才會去回收可重複利用的票。
上面的4，5兩個票，就是考慮回收利用的結果。
票的賣法2：
票1：ab,1
票2：bc,1
票3：cd,1
票4：ac,2
票5：bd,3
這種選座位的方式應該相對低效，因為總是優先會去掃描是否有可回收的座位，而掃描相對直接從座位池裡去拿票總是成本相對要高的。
上面的2，3兩個票，就是考慮回收利用的結果。
但是，優先從座位池裡拿票的演算法有缺陷，就是會出現雖然第一步判斷認為有可用的座位，但是這個座位可能不是全程都是同一個座位。舉例：
假設現在的情況是座位有3個，站點有4個
座位：1,2,3
站點：abcd
票的賣法3：
票1：ab,1
票2：bc,2
票3：cd,3
現在如果有人要買ad的票，那可用的座位有2，或者3。但是無論是2還是3，都要這個乘客中途換車位。比如賣給他座位2，那他ab是坐的座位2，但是bc的時候要坐座位1的。否則拿票2的那個人上車時，發現座位2已經有人了。而通過優先回收利用的演算法，是沒這個問題的。
所以，從上面的分析我們也知道選座位的演算法該怎麼寫了，就是採用優先回收利用座位的演算法。我認為不管我們這裡怎麼設計演算法，都不影響大局，因為這一切都只發生在車次聚合根內部，這就是預先設計好聚合根，明確出票職責在哪個物件上的好處。
模型分析總結
- 我認為票不是核心聚合根，票只是一次出票的結果，一個憑證而已。
- 12306真正的核心聚合根應該是車次，車次具有出票的職責，一次出票具體做的事情有：
- 判斷是否可出票；
- 選擇可用的座位；
- 更新一次出票時所有原子區間的可用票數，用於判斷下次是否能出票；
- 維護所有已售出的票，用於為選擇可用座位提供依據；
通過這樣的模型設計，我們可以確保一次出票處理只會在一個車次聚合根內進行。這樣的好處是：
- 不需要依賴資料庫事務就能實現資料修改的強一致性，因為所有修改只在一個聚合根內發生；
- 在保證資料強一致性的同時還能提供很高的併發處理能力，具體設計見下面的架構設計；
架構設計（非本文重點，沒興趣的朋友可以略過）
我覺得12306這樣的業務場景，非常適合使用CQRS架構；因為首先它是一個查多寫少、但是寫的業務邏輯非常複雜的系統。所以，非常適合做架構層面的讀寫分離，即採用CQRS架構。而且應該使用資料儲存也分離的CQRS。這樣CQ兩端才可以完全不需要顧及對方的問題，各自優化自己的問題即可。我們可以在C端使用DDD領域模型的思路，用良好設計的領域模型實現複雜的業務規則和業務邏輯。而Q端則使用分散式快取方案，實現可伸縮的查詢能力。
訂票的實現思路
同時藉助像ENode這樣的框架，我們可以實現in-memory + Event Sourcing的架構。Event Sourcing技術，可以讓領域模型的所有狀態修改的持久化統一起來，本來要用ORM的方式儲存聚合根最新狀態的，現在只需要簡單的通用的方式儲存一個事件即可（一次訂票只涉及一個車次聚合根的修改，修改只產生一個事件，只需要持久化一個事件（一個JSON串）即可，保證了高效能，無須依賴事務，而且通過ENode可以解決併發問題）。我們只要儲存了聚合根每次變化的事件（事件的結構怎麼設計，本文不做多的介紹了，大家可以思考下），就相當於儲存了聚合根的最新狀態。而正是由於Event Sourcing技術的引入，讓我們的模型可以一直存活在記憶體中，即可以使用in-memory技術。不要小看in-memory技術，in-memory技術在某些方面對提高命令的處理效能非常有幫助。比如就以我們車次聚合根處理出票的邏輯，假設某個車次有大量的命令傳送到分散式訊息佇列，然後有一臺機器訂閱了這個佇列的訊息，然後這臺機器處理這個車次的訂票命令時，由於這個車次聚合根一直在記憶體，所以就省去了每次要去資料庫取出聚合根的步驟，相當於少了一次資料庫IO。這樣的好處是，因為一個車次能夠真正出售的票是有限的，因為座位就那麼幾個，比如就1000個座位，估計一般正常情況也就出個2000個左右的票吧（具體能出多少張票要取決於區間的相交程度，上面分析過）。也就是說，這個聚合根只會產生2000個事件，也就是說只會有2000個訂票命令的處理是會產生事件，並持久化事件；而其餘的大量命令，因為車次在記憶體計算後發現沒有餘票了，就不會做任何修改，也不會產生領域事件，這樣就可以直接處理下一個訂票命令了。這樣就可以大大提高處理訂票命令的效能。
另外一個問題我覺得還需要提一下，因為使用者訂票成功後，還需要付款。但使用者有可能不去付款或者沒有在規定的時間內完成付款。那這種情況下，系統會自動釋放該使用者之前訂購的票。所以基於這樣的需求，我們在業務上需要支援業務級別的2pc。即先預扣庫存，也就是先佔住這張票一定時間（比如15分鐘），然後付款成功後再真實給你這張票，系統做真正的庫存修改。通過這樣的預扣處理，可以保證不會出現超賣的情況。這個思路其實和傳統電商比如淘寶這樣的系統類似，我就不多展開了，我之前寫的Conference案例也是這樣的思路，大家有興趣的可以去看一下我之前錄製的視訊。
查詢餘票的實現思路
我覺得餘票的查詢的實現相對簡單。雖然對於12306來說，查詢的請求佔了80%，提交訂單的請求只佔20%。但查詢由於對資料沒有修改，所以我們完全可以使用分散式快取來實現。我們只需要精心設計好快取的key即可；快取key的多少要看成本，如果所有可能的查詢都設計對應的key，那時間複雜度為1，查詢效能自然高；但代價也大，因為key多了。如果想key少一點，那查詢的複雜度自然要上去一點。所以快取設計無非就是空間換時間的思路。然後，快取的更新無非就是：自動失效、定時更新、主動通知3種。通過CQRS架構，由於CQ兩端是事件驅動的，當C端有任何狀態變化，都會產生對應的事件去通知Q端，所以我們幾乎可以做到Q端的準實時更新。
同時由於CQ兩端的完全解耦，Q端我們可以設計多種儲存，如資料庫和快取（Redis等）；資料庫用於線下維護關係型資料，快取使用者實時查詢。資料庫和快取的更新速度相互不受影響，因為是並行的。對同一個事件，可以10臺機器負責更新快取，100臺機器負責更新資料庫。即便資料庫的更新很慢，也不會影響快取的更新進度。這就是CQRS架構的好處，CQ的架構完全不同，且我們隨時可以重建一種新的Q端儲存。不知道大家體會到了沒有？
關於快取key的設計，我覺得主要從查詢餘票時傳遞的資訊來考慮。12306的關鍵查詢是：出發地、目的地、出發日期三個資訊。我覺得有兩種key的設計思路：1）直接設計了該查詢條件的key，然後快速拿到車次資訊，直接返回；這種方式就是要求我們系統已經列舉了所有車次的所有可能出現的票（區間）的快取key，相信你一定知道這樣的key是非常多的。2）不是列舉所有區間，而是把每個車次的每個原子區間（相鄰的兩個站點所連成的直線）的可用票數作為key。這樣，key就非常少了，因為車次假如有10000個，然後每個車次平均15個區間，那也就15W個key而已。當我們要查詢時，只需要把使用者輸入的出發地和目的地之間的所有原子區間的可用票數都查出來，然後比較出最小可用票數的那個原子區間。則這個原子區間的可用票數就是使用者輸入的區間的可用票數了。當然，到這裡我提到考慮出發日期。我認為出發日期是用來決定具體是哪個車次聚合根的。同一個車次，不同的日期，對應的聚合根例項是不同的，即便是同一天，也可能有多個車次聚合根，因為有些車次一天有幾班的，比如上午9點發車的一班，下午3點發車的一般。所以，我們也只要把日期也作為快取key的一部分即可。
總結
本文完全是憑自己對12306這個網站的核心業務的簡單思考而得到的一些設計結果。如果真正的DDD領域建模，更多的是要和業務一線的工作人員、領域專家進行深入溝通，才能更深入的瞭解該領域內的業務知識，從而才能設計出更靠譜的領域模型和架構設計。我本人非常慚愧因為沒有上12306買過火車票，家離的比較近，就算要買也是家人給我買:）所以，本文所分享的內容難免是紙上談兵。但我覺得12306這個系統的業務確實比傳統的電商系統要複雜，且併發又這麼高。所以，我覺得這個系統真的很值得大家重視模型的設計，而不只是只關注技術層面的實現。2016年，我有計劃打算基於ENode實現一套12306的核心功能，比如餘票查詢、訂票的功能。