京东前台PC首页系统技术详解

京东零售系统在2018年实现前中台架构的调整与划分。中台实现基础服务组件开发，前台主要对接用户请求，通过对中台RPC数据的聚合，来满足用户多样化需求。其前台系统又分为首页系统、单品系统、搜索系统、列表系统、订单系统等等。

作为PC首页研发，本文主要讲解PC首页的技术实现。

PC首页业务逻辑从最初的模板渲染，到后来的SSI模块加载以及现在的前后端分离。开发语言也从之前的ASP、PHP逐步过渡到以LUA为主的技术框架。通过技术迭代升级，首页页面打开速度从之前的200ms缩减到30ms内，API性能从之前的500ms优化至100ms左右。

京东零售系统，每天承载着亿万网民的购物需求。PC首页又是京东商城的一级入口，所以系统必须达到以下3方面要求：页面完整性(容灾、兜底、降级)；流畅的加载速度(高并发、页面加载优化、API加载优化)；监控&告警。

下面将根据系统设定目标逐步讲解首页系统实现方案。

1.页面完整性

页面完整性指任何时候访问页面均需呈现正常的页面样式，不得出现天窗以及非200状态码(40x、50x等)。如下图楼层，若将单模块缺失直接呈现给用户，将导致页面天窗，影响体验。在单模块异常时，系统可对整楼层隐藏操作，优先保证页面完整显示。

下面从6方面讲解容灾降级的业务逻辑：

页面的容灾：前端页面主要承载页面骨架，也会包含部分开关配置及必要的兜底数据，即使后端API服务异常，html依然可以提供基础的用户体验。前端页面由模板渲染生成，其中模板变量通过配置中心（蜂巢系统）维护，定时worker触发生成前端页面，然后推送到静态资源服务器，最终通过CDN加速提供服务。其中在worker触发生成html阶段执行多层验证逻辑，保证html的完整性。

接口的容灾：一般接口逻辑均是优先读取缓存数据，若缓存失效则继续读取上游RPC数据来输出。但上游系统均不保证100%可用，如何保证在上游异常的情况下提供可靠服务使页面正常渲染呢？PC首页系统在接口层面做了2方面工作：

第一、接口在读取&聚合上游RPC数据后会保存两部分缓存，一个为正常用户加速缓存，一般会设置5min过期时间，一个是兜底缓存，永不过期。当缓存或者上游RPC服务均不可用时，接口会读取兜底缓存保证正常的数据输出。

第二、如果API服务由于自身问题（例如宿主机异常、Redis服务异常、用户网络抖动等）导致无法提供正常的服务怎么办。为了避免这个问题，系统为API提供了一条新的访问途径-CDN API。CDN API会访问由Worker定时生成的静态结果集（File）输出数据。当前端异步加载数据感知常规线路异常后自动触发CDN API线路来保证接口可用性。

依据上面2种兜底逻辑，绘制如下流程图，此逻辑将首页API服务的可靠率提高至100%。

接口的降级：如下图所示，正常情况接口通过读取Cache、RPC数据、兜底Cache提供服务。但如果Cache和RPC服务均异常，接口的响应时间就大大浪费在前两阶段（10ms+100ms）。为了避免此情况的发生，系统通过配置中心（蜂巢系统）设置降级开关，当系统感知降级开关打开时，将直接读取兜底Cache，保证API的响应速度。

NGINX的容灾：NGINX容灾指系统监控到接口非200状态码的时候在NGINX层面执行兜底逻辑，此兜底逻辑可以读取（或代理）远程静态资源实现透明容灾。具体实现通过error_page指令完成，error_page指令可以在特定的状态码设置一个named location，并在其代码块中执行相应的兜底业务逻辑。

楼层容灾：在多模块楼层，前端会调用多个API进行页面渲染。如下图所示，此楼层一共包含4个模块，每个模块均提供独立的API接口。当其中一个模块API异常，即触发楼层隐藏动作，避免天窗的出现。（这里执行的是页面可以有损但必须完整的策略）

终极容灾（页面CDN兜底）：在2016年，启动“永不消失的首页”项目，即不论情况如何极端（包括Redis服务异常、服务器异常、RPC异常、网络异常等等），系统均可快速响应并切换至历史页面来保证页面完整。

为实现历史快照，项目借鉴爬虫技术，定时抓取PC首页的完整数据，并将快照数据推送至静态服务器。当监控到系统异常时开启降级开关将页面及时回滚至特定历史版本。此降能绕开正常的服务流程，直接读取兜底的静态资源。具体流程如下：

（此项目自上线后尚未触发一次。在其他的业务场景中，需要考虑各自实际情况）

2.流畅的加载速度

既要保证页面完整性，也要保证页面以及API的加载速度。下面从性能方面讲解系统的优化方向。

技术选型

首页是一种重性能、轻逻辑的业务场景，没有过多的基础服务依赖，主要与Redis和上游RPC做交互。系统通过读取上游RPC数据后聚合、过滤、验证后输出，最终完成页面展示。用户请求简化流程图如下：

结合业务场景，京东首页在2015年开始调研并尝试使用OpenResty服务，基于NGINX的异步事件模型以及高性能的脚本语言LUA，OpenResty完美胜任京东首页的高并发场景。经过近几年的沉淀，OpenResty成为京东首页的基础架构，也以此沉淀了OpenLua开发框架。

如上图所示，OpenResty(Nginx)服务的请求处理拥有11个阶段之多，每个阶段都有其特定的业务场景。在init_by_lua*阶段，框架初始化环境变量、init_worker_by_lua*阶段初始化降级开关以及基础配置，并将其同步至共享cache(ngx.shared.DICT)、 init_write_by_lua*阶段初始化路由策略、access_by_lua*阶段实现访问权限验证，加解密等、content_by_lua*阶段实现主体业务逻辑、log_by_lua*阶段实现日志以及Ump信息的输出。

Redis HotKey（热key）优化：在多数的业务场景中都使用Redis集群为服务加速，通过集群的横向扩展能力增加系统吞吐率。但在特殊的业务场景会有热点数据的出现，导致流量倾斜，增加单个分片的压力，这样就极大制约API的效率，极端情况甚至可以拖垮Redis集群。如何避免热点数据有2种方案：1、通过复制热点数据将数据存放到不同的Redis分片，每次通过随机算法读取；2、热点数据前置、减少Redis的压力。由于第一种方案实现繁琐，系统使用第二种方案解决热点数据，也就是将发现的热点数据存储到本地cache中(ngx.shard.DICT),通过本地cache服务直接对外提供服务，由于ngx.shard.DICT效率极高，极大优化API的响应时间。

Redis BigKey优化：项目开发中BigKey是不可忽略的性能点，可能在前期开发以及压测时均可以完美达到设定值，但是线上环境效率不理想，这时候就要考虑bigkey的因素了。由于bigkey占用内存较多，不但会使网卡成为瓶颈，在set、get也会阻塞其他操作，直接导致Redis吞吐量下降。

在PC首页系统bigkey的定义范围为>5k,只要key的值大于5k均需要单独处理。处理方案依然是2种。1、业务上做切割。例如一个业务场景需要将一个大的商品列表放到Cache中， 一般做法是通过kv（set key value）保存到Redis中。这时业务优化方案是将一个key扩展到1+n个key，一个key存储id list，其余n个key存储id对应的详情信息，这样就将bigkey打散为多个key。2、技术上做切割。例如系统定义的bigkey为5k，通过算法将value以5k的界限做切割，然后系统存储一个关系key以及n个小key实现bigkey转小key的过程。

不管使用哪个方案，目标是一致的，避免bigkey的出现。在将bigkey转小key的过程中，合理使用管道技术减少redis的网路消耗。

分布式任务的使用：随着个性化推荐算法的推广，商城首页全面接入推荐算法。由于个性化算法基于实时计算，耗时较高，为了保证用户浏览的流畅度，系统引入分布式服务。如下图所示，用户在请求第一屏的时候将用户信息push到分布式任务系统，分布式任务利用时间差计算下面楼层的个性化数据并存储到Redis。当用户访问到特定楼层即可快速加载数据。

并发请求：每个API都会涉及多个上游RPC服务，为了避免串行请求带来的耗时累加，系统将每个上游RPC封装成单个子API服务，然后通过ngx.location.capture_multi命令实现并发请求来优化API耗时。

磁盘IO优化：为了减少磁盘io，系统日志模块使用批量写入策略来减少磁盘io的消耗。在OpenResty中每个请求（包含自请求）都会初始化一个 ngx.ctx全局表，首页应用将当前请求在不同阶段产生的日志内容统一写入ngx.ctx.Log表中，并在log_by_lua*阶段统一触发io操作将日志写入文件系统。

图片优化：电商系统页面会引入大量的图片，虽然图片系统引入CDN服务，但单个域在高并发的时候依然会有堵塞。为了解决单域问题，我们将图片部署到多个域上，例如img10.360buyimg.com、img11.360buyimg.com、img12.360buyimg.com等等。但多域会叠加DNS解析耗时，此时页面可以引入预解析指令(dns-prefetch)来减少dns的解析时间，提高图片加载速度。另外使用懒加载也是优化的一个技巧。

3.监控&报警

原有的报警信息通过 “系统日志->研发->产品->运营”的方式层层传递，不但处理问题时效长，而且占用研发资源。为了简化报警流程，现有系统直接将报警信息同步给产品&运营，减少信息流通环节，提高效率。

增加报警逻辑的同时不影响系统性能，系统通过异步非阻塞的ngx.socket.tcp组件实现消息同步。具体流程为系统将日志通过ngx.socket.tcp组件传递给分布式任务，分布式任务通过异步方式将日志同步到Elastic集群。报警系统根据报警规则触发报警信息发送。（注：使用ngx.socket.tcp组件请合理使用连接池，避免频繁建立连接）

小结

随着首页系统的迭代升级，团队沉淀了蜂巢系统平台以及OpenLua框架。蜂巢系统通过积木赋能、组件化思想搭建，可快速响应业务需求。OpenLua框架实现Lua的MVC分层结构，并融入京东内部组件，在满足API性能的同时提升开发效率。

继续前行，永不止步。在之后的的研发道路上，将继续沉淀业务需求，强化组件化、标准化思想，深耕蜂巢系统、OpenLua框架，使之更加灵活、高效、易用。