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【Java工程师面试全攻略】Day8：高并发系统设计实战

java 2025/6/18 15:20:09

一、高并发系统设计的重要性

在互联网流量爆炸式增长的时代，高并发处理能力已成为评估系统架构质量的核心指标。根据阿里双十一技术复盘报告，优秀的并发设计可以让系统承受能力提升10倍以上。今天我们将从实战角度，深入剖析高并发系统的设计方法论和关键技术。

二、性能压测方法论

2.1 压测关键指标

指标	说明	健康标准
QPS	每秒查询量	根据业务需求
RT	响应时间	<500ms（C端）
错误率	失败请求比例	<0.1%
CPU利用率	系统负载	<70%
内存使用率	JVM内存占用	<80%

2.2 压测工具对比

// JMeter线程组配置示例
ThreadGroup threadGroup = new ThreadGroup();
threadGroup.setNumThreads(100); // 并发用户数
threadGroup.setRampUp(60); // 在60秒内启动全部线程
threadGroup.setDuration(300); // 持续运行300秒// 添加HTTP请求采样器
HTTPSampler httpSampler = new HTTPSampler();
httpSampler.setDomain("api.example.com");
httpSampler.setPath("/v1/orders");
httpSampler.setMethod("GET");// 添加结果监听器
ResultsCollector results = new ResultsCollector();
threadGroup.addTestElement(httpSampler);
threadGroup.addTestElement(results);

三、限流熔断策略

3.1 常见限流算法

3.1.1 令牌桶算法（Token Bucket）

public class TokenBucket {private final int capacity; // 桶容量private double tokens; // 当前令牌数private long lastTime; // 上次补充时间public synchronized boolean tryAcquire(int permits) {refill();if (tokens >= permits) {tokens -= permits;return true;}return false;}private void refill() {long now = System.currentTimeMillis();double elapsedTime = (now - lastTime) / 1000.0;tokens = Math.min(capacity, tokens + elapsedTime * rate);lastTime = now;}
}

3.1.2 滑动窗口算法

[00:00:00 - 00:01:00] [00:00:01 - 00:01:01] ... [00:00:59 - 00:01:59]

3.2 熔断器实现

// 基于Hystrix的熔断配置
@HystrixCommand(fallbackMethod = "fallbackMethod",commandProperties = {@HystrixProperty(name="circuitBreaker.requestVolumeThreshold", value="20"),@HystrixProperty(name="circuitBreaker.sleepWindowInMilliseconds", value="5000"),@HystrixProperty(name="circuitBreaker.errorThresholdPercentage", value="50")}
)
public String riskyMethod() {// 可能失败的业务逻辑
}public String fallbackMethod() {return "降级处理结果";
}

四、降级方案设计

4.1 多级降级策略

级别	措施	触发条件
1级	关闭非核心功能	CPU>80%持续1分钟
2级	返回缓存数据	错误率>10%
3级	静态页面兜底	系统不可用

4.2 降级开关实现

// 配置中心降级开关示例
public class DegradeSwitch {@Value("${degrade.order.service:false}")private boolean degradeOrderService;@GetMapping("/orders")public ResponseEntity<?> getOrders() {if (degradeOrderService) {return ResponseEntity.ok(getCachedOrders());}return ResponseEntity.ok(orderService.getRealOrders());}// 动态更新配置@ApolloConfigChangeListenerpublic void onChange(ConfigChangeEvent changeEvent) {if (changeEvent.isChanged("degrade.order.service")) {degradeOrderService = Boolean.parseBoolean(changeEvent.getChange("degrade.order.service").getNewValue());}}
}

五、高性能编码技巧

5.1 并发编程优化

优化前：

public class Counter {private int count;public synchronized void increment() {count++;}
}

优化后：

public class Counter {private final AtomicLong count = new AtomicLong();public void increment() {count.incrementAndGet();}// LongAdder更适合高并发统计private final LongAdder adder = new LongAdder();public void add() {adder.increment();}
}

5.2 集合类优化

场景	不推荐	推荐	优势
读多写少	HashMap	ConcurrentHashMap	线程安全
高并发统计	ArrayList	CopyOnWriteArrayList	无锁读
缓存淘汰	LinkedList	LinkedHashMap	内置LRU

六、真实案例解析

6.1 案例：电商库存超卖问题

问题现象：

秒杀活动期间出现超卖
数据库出现负库存

解决方案：

Redis原子操作：

Long value = redisTemplate.opsForValue().increment("product:stock:"+productId, -1);
if (value < 0) {// 回滚操作redisTemplate.opsForValue().increment("product:stock:"+productId, 1);throw new BusinessException("库存不足");
}

数据库乐观锁：

UPDATE product_stock 
SET stock = stock - 1 
WHERE product_id = 1001 AND stock >= 1

分布式锁：

String lockKey = "product_lock:" + productId;
try {boolean locked = redisLock.tryLock(lockKey, 10, TimeUnit.SECONDS);if (locked) {// 扣减库存操作}
} finally {redisLock.unlock(lockKey);
}

七、高频面试题解析

7.1 问题1：如何设计一个百万级并发的秒杀系统？

参考答案：

前端优化：
- 静态资源CDN分发
- 按钮防重复点击
- 验证码过滤机器人
网关层：
- 限流（令牌桶/漏桶算法）
- 黑名单过滤
服务层：
- 热点数据本地缓存
- 库存预热+Redis原子扣减
- 消息队列削峰填谷
数据层：
- 分库分表
- 读写分离
- 柔性事务

7.2 问题2：如何解决分布式系统数据一致性问题？

解决方案：

强一致性：
- 分布式锁（Redisson）
- 二阶段提交（2PC）
最终一致性：
- TCC模式（Try-Confirm-Cancel）
- 本地消息表+定时任务
- 最大努力通知

补偿机制：

@Scheduled(fixedDelay = 10000)
public void compensateOrder() {List<Order> pendingOrders = orderDao.findPendingOrders();for (Order order : pendingOrders) {try {paymentService.confirmPayment(order.getId());} catch (Exception e) {log.error("补偿失败 orderId={}", order.getId(), e);}}
}