「高并发系统设计」海量数据下未读数系统的设计与实现

本文主要是介绍「高并发系统设计」海量数据下未读数系统的设计与实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

「高并发系统设计」海量数据下未读数系统的设计与实现

参考&鸣谢

app里未读消息已读、未读是怎么设计的？

高并发系统架构设计之实战篇35：计数系统设计之未读数系统

IM专题：分层架构IM系统（17）—未读数逻辑实现

文章目录

「高并发系统设计」海量数据下未读数系统的设计与实现
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一、前言
二、系统通知的未读数要如何设计
三、如何为信息流的未读数设计方案
三、App中消息已读、未读成员如何实现
四、小结

一、前言

在上一篇文章「高并发系统设计」基于海量数据计数器的设计与实现中，我们了解到了一套支撑高并发访问和存储大数据量的通用计数系统。我们通过缓存技术、消息队列技术以及对于 Redis 的深度改造，就能够支撑万亿级计数数据存储以及每秒百万级别读取请求了。然而有一类特殊的计数并不能完全使用我们提到的方案，那就是未读数。

未读数也是系统中一个常见的模块，以微博系统为例，你可看到有多个未读计数的场景，比如：

当有人 @你、评论你、给你的博文点赞或者给你发送私信的时候，你会收到相应的未读提醒；

在早期的微博版本中有系统通知的功能，也就是系统会给全部用户发送消息，通知用户有新的版本或者有一些好玩的运营活动，如果用户没有看，系统就会给他展示有多少条未读的提醒。

我们在浏览信息流的时候，如果长时间没有刷新页面，那么信息流上方就会提示你在这段时间有多少条信息没有看。

那当你遇到第一个需求时，要如何记录未读数呢？其实，这个需求可以用上一篇文章提到的通用计数系统来实现，因为二者的场景非常相似。

你可以在计数系统中增加一块儿内存区域，以用户 ID 为 Key 存储多个未读数，当有人 @ 你时，增加你的未读 @的计数；当有人评论你时，增加你的未读评论的计数，以此类推。当你点击了未读数字进入通知页面，查看 @ 你或者评论你的消息时，重置这些未读计数为零。

那么系统通知的未读数是如何实现的呢？我们能用通用计数系统实现吗？答案是不能的，因为会出现一些问题。

二、系统通知的未读数要如何设计

来看具体的例子。假如你的系统中只有 A、B、C 三个用户，那么你可以在通用计数系统中增加一块儿内存区域，并且以用户 ID 为 Key 来存储这三个用户的未读通知数据，当系统发送一个新的通知时，我们会循环给每一个用户的未读数加 1，这个处理逻辑的伪代码就像下面这样：

List<Long> userIds = getAllUserIds();for(Long id : userIds) {incrUnreadCount(id);}

这样看来，似乎简单可行，但随着系统中的用户越来越多，这个方案存在两个致命的问题。

首先，获取全量用户就是一个比较耗时的操作，相当于对用户库做一次全表的扫描，这不仅会对数据库造成很大的压力，而且查询全量用户数据的响应时间是很长的，对于在线业务来说是难以接受的。如果你的用户库已经做了分库分表，那么就要扫描所有的库表，响应时间就更长了。不过有一个折中的方法， 那就是在发送系统通知之前，先从线下的数据仓库中获取全量的用户 ID，并且存储在一个本地的文件中，然后再轮询所有的用户 ID，给这些用户增加未读计数。

这似乎是一个可行的技术方案，然而它给所有人增加未读计数，会消耗非常长的时间。你计算一下，假如你的系统中有一个亿的用户，给一个用户增加未读数需要消耗 1ms，那么给所有人都增加未读计数就需要 100000000 * 1 /1000 = 100000 秒，也就是超过一天的时间；即使你启动 100 个线程并发的设置，也需要十几分钟的时间才能完成，而用户很难接受这么长的延迟时间。

另外，使用这种方式需要给系统中的每一个用户都记一个未读数的值，而在系统中，活跃用户只是很少的一部分，大部分的用户是不活跃的，甚至从来没有打开过系统通知，为这些用户记录未读数显然是一种浪费。

通过上面的内容，你可以知道为什么我们不能用通用计数系统实现系统通知未读数了吧？那正确的做法是什么呢？

要知道，系统通知实际上是存储在一个大的列表中的，这个列表对所有用户共享，也就是所有人看到的都是同一份系统通知的数据。不过不同的人最近看到的消息不同，所以每个人会有不同的未读数。因此，你可以记录一下在这个列表中每个人看过最后一条消息的 ID，然后统计这个 ID 之后有多少条消息，这就是未读数了。

这个方案在实现时有这样几个关键点：

用户访问系统通知页面需要设置未读数为 0，我们需要将用户最近看过的通知 ID 设置为最新的一条系统通知 ID；

如果最近看过的通知 ID 为空，则认为是一个新的用户，返回未读数为 0；

对于非活跃用户，比如最近一个月都没有登录和使用过系统的用户，可以把用户最近看过的通知 ID 清空，节省内存空间。

这是一种比较通用的方案，即节省内存，又能尽量减少获取未读数的延迟。 这个方案适用的另一个业务场景是全量用户打点的场景，比如像下面这张微博截图中的红点。

这个红点和系统通知类似，也是一种通知全量用户的手段，如果逐个通知用户，延迟也是无法接受的。因此你可以采用和系统通知类似的方案。

首先，我们为每一个用户存储一个时间戳，代表最近点过这个红点的时间，用户点了红点，就把这个时间戳设置为当前时间；然后，我们也记录一个全局的时间戳，这个时间戳标识最新的一次打点时间，如果你在后台操作给全体用户打点，就更新这个时间戳为当前时间。而我们在判断是否需要展示红点时，只需要判断用户的时间戳和全局时间戳的大小，如果用户时间戳小于全局时间戳，代表在用户最后一次点击红点之后又有新的红点推送，那么就要展示红点，反之，就不展示红点了。

这两个场景的共性是全部用户共享一份有限的存储数据，每个人只记录自己在这份存储中的偏移量，就可以得到未读数了。

你可以看到，系统消息未读的实现方案不是很复杂，它通过设计避免了操作全量数据未读数，如果你的系统中有这种打红点的需求，那我建议你可以结合实际工作灵活使用上述方案。

最后一个需求关注的是微博信息流的未读数，在现在的社交系统中，关注关系已经成为标配的功能，而基于关注关系的信息流也是一种非常重要的信息聚合方式，因此，如何设计信息流的未读数系统就成了你必须面对的一个问题。

三、如何为信息流的未读数设计方案

信息流的未读数之所以复杂主要有这样几点原因。

首先，微博的信息流是基于关注关系的，未读数也是基于关注关系的，就是说，你关注的人发布了新的微博，那么你作为粉丝未读数就要增加 1。如果微博用户都是像我这样只有几百粉丝的“小透明”就简单了，你发微博的时候系统给你粉丝的未读数增加 1 不是什么难事儿。但是对于一些动辄几千万甚至上亿粉丝的微博大 V 就麻烦了，增加未读数可能需要几个小时。假设你是杨幂的粉丝，想了解她实时发布的博文，那么如果当她发布博文几个小时之后，你才收到提醒，这显然是不能接受的。所以未读数的延迟是你在设计方案时首先要考虑的内容。

其次，信息流未读数请求量极大、并发极高，这是因为接口是客户端轮询请求的，不是用户触发的。也就是说，用户即使打开微博客户端什么都不做，这个接口也会被请求到。在几年前，请求未读数接口的量级就已经接近每秒 50 万次，这几年随着微博量级的增长，请求量也变得更高。而作为微博的非核心接口，我们不太可能使用大量的机器来抗未读数请求，因此，如何使用有限的资源来支撑如此高的流量是这个方案的难点。

最后，它不像系统通知那样有共享的存储，因为每个人关注的人不同，信息流的列表也就不同，所以也就没办法采用系统通知未读数的方案。

那要如何设计能够承接每秒几十万次请求的信息流未读数系统呢？你可以这样做：

首先，在通用计数器中记录每一个用户发布的博文数；

然后在 Redis 或者 Memcached 中记录一个人所有关注人的博文数快照，当用户点击未读消息重置未读数为 0 时，将他关注所有人的博文数刷新到快照中；

这样，他关注所有人的博文总数减去快照中的博文总数就是他的信息流未读数。

假如用户 A，像上图这样关注了用户 B、C、D，其中 B 发布的博文数是 10，C 发布的博文数是 8，D 发布的博文数是 14，而在用户 A 最近一次查看未读消息时，记录在快照中的这三个用户的博文数分别是 6、7、12，因此用户 A 的未读数就是（10-6）+（8-7）+（14-12）=7。

这个方案设计简单，并且是全内存操作，性能足够好，能够支撑比较高的并发，事实上微博团队仅仅用 16 台普通的服务器就支撑了每秒接近 50 万次的请求，这就足以证明这个方案的性能有多出色，因此，它完全能够满足信息流未读数的需求。

当然了这个方案也有一些缺陷，比如说快照中需要存储关注关系，如果关注关系变更的时候更新不及时，那么就会造成未读数不准确；快照采用的是全缓存存储，如果缓存满了就会剔除一些数据，那么被剔除用户的未读数就变为 0 了。但是好在用户对于未读数的准确度要求不高（未读 10 条还是 11 条，其实用户有时候看不出来），因此，这些缺陷也是可以接受的。

通过分享未读数系统设计这个案例，我想给你一些建议：

缓存是提升系统性能和抵抗大并发量的神器，像是微博信息流未读数这么大的量级我们仅仅使用十几台服务器就可以支撑，这全都是缓存的功劳；

要围绕系统设计的关键困难点想解决办法，就像我们解决系统通知未读数的延迟问题一样；

合理分析业务场景，明确哪些是可以权衡的，哪些是不行的，会对你的系统设计增益良多，比如对于长久不登录用户，我们就会记录未读数为 0，通过这样的权衡，可以极大地减少内存的占用，减少成本。

三、App中消息已读、未读成员如何实现

企业IM比如企业微信、钉钉里面的群消息的有个已读未读的功能，发送者刚发出消息时，当前群里其他群成员都是未读状态，陆陆续续有人看了这个消息，这时候消息的详情变成x人已读，y人未读，如下图所示，有具体的已读未读列表（万恶的功能，看到同事or老板的消息不能假装没看到了），每条消息对应一个唯一的messageid（uint64_t），每个用户对应一个唯一的userid（uint64_t）,应该如何保存这个消息对应的已读未读详情呢？

我第一时间给出一个很简单粗暴的方案：

对于每一个messageid，存当前readids + unreadids，当群成员A已读某一条消息时，把A userid从unreadids移除写到readids上就好了，客户端更新到messageid对应的详情列表，就可以展示m人已读，n人未读

显然这么简单粗暴的方案面试官是不会满意的，追问有没有更好的方案呢？

仔细分析，按照目前的设计，每一条消息，已读未读详情就要占用8B * 群成员数的内存，如果一个活跃的200人大群，每发一条消息，已读未读就要1600B，如果平均每天消息量是1k，那每个这样的群，每天就要1.6MB磁盘空间，对于客户端来说，特别是手机端，占用磁盘空间是用户不能接受的，又不能把工作消息删了，对于服务器端来说，用户群体如果特别大，那数据库存储这个成本也不小

其实未读已读就是一个0/1的标记而已，可以维护一个bitmap来实现呢？具体应该怎么做呢？

群元信息保存userid到自增mapid的映射

struct UserInfo

这样群成员每加入一个群里，就有mapid<->usreid的双向映射了，假如群里有5个成员ABCDE, 那就对应mapid 1-5，messageid对应的消息详情存储就可以设计成

{ uint32_t maxid, uint8_t readbit[]}

如上面的案例就是{5, readbit[0] =bin(0000 0000)}; 就占用了5B(4+1),A发消息，D已读消息时，就更新成{5,readbit[0]= bin(0000 1000)},其余4人都已读消息时更新为{5, readbit[0]=bin(0001 1110)}

这是个粗略的方案，里面还有一些细节值得思考：

退出的成员呢？比如C退出群，发消息时maxid还是5，已读+未读总人数应该是3(不包括发消息者本人)，目前信息只有5个bit（0/1），识别不出来谁已经退出群聊了
退出群聊的成员如何处理？从GruopMetaInfo里面删除么？退出群聊成员重新加入又如何分配id呢？

首先2这个点，退出群聊的成员只能标记删除，不能物理删除，不然客户端展示已读未读详情时，通过mapid找不到对应的userid，退出的成员又重新加入群聊这个就好办了，把标记删除改成非标记删除，还是用旧的mapid.

至于1呢？我目前想到比较好的方式就是再加多一个bitmap，记录成员在消息发送时是否已经退出群聊了，退出群聊就置为1, 所以最终方案就是

群信息增加userid，自增mapid双向映射，退出群聊成员标记删除，messageid 已读未读详情存储 {maxid, readbit[], quitbit[]}

新的方案带来怎样的收益呢？

增加自增mapid字段，一个群聊维护一份，成本几乎可以忽略不计
每个成员已读未读由8B（64bit）优化成2bit，减少62/64, 200人已读未读旧的方案1600B, 现在只需要(200/8) * 2 + 4 = 54 ，每条消息节约95%+

如果maxid如果到百万甚至千万级别，那岂不是灾难？一般实际场景，群聊是会限制人数的，就算不断踢人加新人，那maxid最多也只能到企业人数。如果maxid达到一个特别大数字，已读未读对应的存储可以增加多一个flag，如果bitmap存储成本远超过最初的方案，可以用最初的方案来实现，客户端提前埋好兼容逻辑就可以了

四、小结

评论未读、@未读、赞未读等一对一关系的未读数可以使用通用计数方案来解决；
在系统通知未读、全量用户打点等存在有限的共享存储的场景下，可以通过记录用户上次操作的时间或者偏移量，来实现未读方案；
信息流未读方案复杂一点，采用的是记录用户博文数快照的方式。
群组中的读与未读情况，通过map映射和位图实现。

可以看到，这四类需求虽然都和未读数有关，但是需求场景不同、对于量级的要求不同，设计出来的方案也就不同。因此，在做方案设计的时候，要分析需求的场景，比如说数据的量级是怎样的，请求的量级是怎样的，有没有一些可以利用的特点（比如系统通知未读场景下的有限共享存储、信息流未读场景下关注人数是有限的等等），然后再制定针对性的方案，切忌盲目使用之前的经验套用不同的场景，否则就可能造成性能的下降，甚至危害系统的稳定性。

速记

通用计数方案：评论未读、@未读、赞未读等一对一关系的未读数

偏移量计数方案：在系统通知未读、全量用户打点等存在有限的共享存储的场景下，可以通过记录用户上次操作的时间或者偏移量，来实现未读方案

信息流计数方案：记录用户博文数快照的方式。

已读、未读成员计数方案：通过群组维护一个userId和mapId字段的自增映射，同时定义结构messageId : { maxId , readBit [] , quitBit [] }，其中maxId是可见人数，即当前成员人数；readBit和quitBit是由0和1组成的位图，分别代表是否读情况和是否退群情况。