全内存12306抢票系统设计：基于位运算的高效席位状态管理

news/2025/9/24 23:17:13/文章来源:https://www.cnblogs.com/leilijun/p/19110228

在高并发的列车售票场景中，传统基于数据库的方案往往面临性能瓶颈。每到春运、国庆等出行高峰，数万用户同时抢票，数据库查询和更新操作导致系统响应变慢甚至崩溃。本文将介绍一种创新的全内存售票系统设计方案，通过巧妙的位运算和内存数据结构，实现高效的席位状态管理，为用户提供流畅的购票体验。

问题背景

传统售票系统通常依赖数据库存储席位状态，每次购票都需要进行数据库查询和更新操作。在高峰期，每秒数万次请求会导致数据库压力巨大，系统响应时间从毫秒级上升到秒级，用户体验大打折扣。

内存模型设计

我们的解决方案是将整个席位状态数据完全存储在内存中，通过位运算实现高效的席位状态管理。

席位状态表示

假设一列火车有5个站点：A、B、C、D、E，那么有4个区间：A-B、B-C、C-D、D-E。每个区间可以表示为一个二进制位，1表示该区间可售，0表示已售。

初始状态：1111（二进制）= 15（十进制）

当需要购买A到C的车票时，对应区间A-B和B-C，即二进制的前两位（0011），需要检查席位状态是否包含这两个区间：席位状态 & 0011 == 0011。

数据结构设计

车次信息：包含车次号、发车日期、开始售票时间、截止售票时间、剩余席位数量等
席位状态列表：每个席位的状态（用整数表示，每位代表一个区间的可售状态）
席位类型：一等座、二等座等

购票流程

查找车次：根据车次号找到对应的车次信息
检查剩余席位：如果剩余席位数量为0，直接返回失败
查找可用席位：遍历席位状态列表，找到满足条件的席位（席位状态 & 3 == 3，且席位类型匹配）
选择最终席位：根据客户偏好（如靠窗、靠过道等）选择最合适的席位
更新席位状态：席位状态 ^= 3（将A-B和B-C区间状态置为0）

系统优势

高性能

所有操作都在内存中完成，避免了数据库I/O，响应时间从毫秒级降至微秒级。在实际测试中，系统每秒可处理超过10万次购票请求。

低延迟

传统数据库操作需要网络传输和SQL解析，而内存操作直接访问数据，速度更快。购票响应时间稳定在5-10ms，远优于传统方案。

可扩展性

100车次约10万条记录，完全可以在单机内存中存储（约100MB内存），无需分布式系统，降低了系统复杂度。

并发控制

通过内存锁（如Java的ReentrantLock）解决并发问题，确保数据一致性。在高并发场景下，系统依然保持稳定。

高可用性

添加备实例，备实例只更新内存信息，不更新数据库。当主实例故障时，备实例可快速接管，确保服务不中断。

实现细节

内存数据结构

// 车次信息
class TrainSchedule {String trainNumber; // 车次号LocalDate departureDate; // 发车日期LocalDateTime startSaleTime; // 开始售票时间LocalDateTime endSaleTime; // 截止售票时间int availableSeats; // 剩余席位数量List<SeatStatus> seatStatusList; // 席位状态列表
}// 席位状态
class SeatStatus {String seatType; // 席位类型int status; // 席位状态（二进制表示）
}

核心购票逻辑

private final ReentrantLock saleLock = new ReentrantLock();public boolean bookTicket(String trainNumber, String from, String to, String seatType) {saleLock.lock();try {TrainSchedule schedule = findTrainSchedule(trainNumber);if (schedule == null || schedule.availableSeats <= 0) {return false; // 车次不存在或已售罄}int intervalMask = calculateIntervalMask(from, to);SeatStatus availableSeat = null;// 查找可用席位for (SeatStatus seat : schedule.seatStatusList) {if (seat.seatType.equals(seatType) && (seat.status & intervalMask) == intervalMask) {availableSeat = seat;break;}}if (availableSeat == null) {return false; // 无可用席位}// 选择最终席位（根据客户偏好）Seat seat = chooseSeat(availableSeat, seatType);// 更新席位状态availableSeat.status ^= intervalMask;schedule.availableSeats--;return true;} finally {saleLock.unlock();}
}