IM开发技术学习：揭秘微信朋友圈这种信息推流背后的系统设计

JackJiang · 3 年前

本文由徐宁发表于腾讯大讲堂，原题“程序员如何把你关注的内容推送到你眼前？揭秘信息流推荐背后的系统设计”，即时通讯网收录时有改动和修订。

1、引言

信息推流（以下简称“Feed流”）这种功能在我们手机APP中几乎无处不在（尤其是社交/社群产品中），最常用的就是微信朋友圈、新浪微博等。

对Feed流的定义，可以简单理解为只要大拇指不停地往下划手机屏幕，就有一条条的信息不断涌现出来。就像给牲畜喂饲料一样，只要它吃光了就要不断再往里加，故此得名Feed（饲养）。

大多数带有Feed流功能的产品都包含两种Feed流：

1）一种是基于算法：即动态算法推荐，比如今日头条、抖音短视频；
2）一种是基于关注：即社交/好友关系，比如微信、知乎。

例如下图中的微博和知乎，顶栏的页卡都包含“关注”和“推荐”这两种：
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如上图中这两种Feed流，它们背后用到的技术差别会比较大。不同于“推荐”页卡那种千人千面算法推荐的方式，通常“关注”页卡所展示的内容先后顺序都有固定的规则，最常见的规则是基于时间线来排序，也就是展示“我关注的人所发的帖子、动态、心情，根据发布时间从晚到早依次排列”。

本文将重点讨论的是“关注”功能对应的技术实现：先总结常用的基于时间线Feed流的后台技术实现方案，再结合具体的业务场景，根据实际需求在基本设计思路上做一些灵活的运用。

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2、本文作者

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徐宁：腾讯应用开发工程师，腾讯学院讲师，毕业于上海交通大学。目前负责腾讯智慧零售业务的后端开发工作，有丰富的视频直播，自动化营销系统开发经验。

3、Feed流技术实现方案1：读扩散

读扩散也称为“拉模式”，这应该是最符合我们认知直觉的一种技术实现方式。

原理如下图：
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如上图所示：每一个内容发布者都有一个自己的发件箱（“我发布的内容”），每当我们发出一个新帖子，都存入自己的发件箱中。当我们的粉丝来阅读时，系统首先需要拿到粉丝关注的所有人，然后遍历所有发布者的发件箱，取出他们所发布的帖子，然后依据发布时间排序，展示给阅读者。

这种设计：阅读者读一次Feed流，后台会扩散为N次读操作（N等于关注的人数）以及一次聚合操作，因此称为读扩散。每次读Feed流相当于去关注者的收件箱主动拉取帖子，因此也得名——拉模式。

这种模式：

1）好处是：底层存储简单，没有空间浪费；
2）坏处是：每次读操作会非常重，操作非常多。

设想一下：如果我关注的人数非常多，遍历一遍我所关注的所有人，并且再聚合一下，这个系统开销会非常大，时延上可能达到无法忍受的地步。

因此：读扩散主要适用系统中阅读者关注的人没那么多，并且刷Feed流并不频繁的场景。

拉模式还有一个比较大的缺点：就是分页不方便，我们刷微博或朋友圈，肯定是随着大拇指在屏幕不断划动，内容一页一页的从后台拉取。如果不做其他优化，只采用实时聚合的方式，下滑到比较靠后的页码时会非常麻烦。

4、Feed流技术实现方案2：写扩散

据统计：大多数Feed流产品的读写比大概在100:1，也就是说大部分情况都是刷Feed流看别人发的朋友圈和微博，只有很少情况是自己亲自发一条朋友圈或微博给别人看。

因此：读扩散那种很重的读逻辑并不适合大多数场景。

我们宁愿让发帖的过程复杂一些，也不愿影响用户读Feed流的体验，因此稍微改造一下前面方案就有了写扩散。写扩散也称为“推模式”，这种模式会对拉模式的一些缺点做改进。

原理如下图：
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如上图所示：系统中每个用户除了有发件箱，也会有自己的收件箱。当发布者发表一篇帖子的时候，除了往自己发件箱记录一下之外，还会遍历发布者的所有粉丝，往这些粉丝的收件箱也投放一份相同内容。这样阅读者来读Feed流时，直接从自己的收件箱读取即可。

这种设计：每次发表帖子，都会扩散为M次写操作（M等于自己的粉丝数），因此成为写扩散。每篇帖子都会主动推送到所有粉丝的收件箱，因此也得名推模式。

这种模式可想而知：发一篇帖子，背后会涉及到很多次的写操作。通常为了发帖人的用户体验，当发布的帖子写到自己发件箱时，就可以返回发布成功。后台另外起一个异步任务，不慌不忙地往粉丝收件箱投递帖子即可。

写扩散的好处在于通过数据冗余（一篇帖子会被存储M份副本），提升了阅读者的用户体验。通常适当的数据冗余不是什么问题，但是到了微博明星这里，完全行不通。比如目前微博粉丝量Top2的谢娜与何炅，两个人微博粉丝过亿。

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设想一下：如果单纯采用推模式，那每次谢娜何炅发一条微博，微博后台都要地震一次。一篇微博导致后台上亿次写操作，这显然是不可行的。

另外：由于写扩散是异步操作，写的太慢会导致帖子发出去半天，有些粉丝依然没能看见，这种体验也不太好。

通常写扩散适用于好友量不大的情况，比如微信朋友圈正是写扩散模式。每一名微信用户的好友上限为5000人，也就是说你发一条朋友圈最多也就扩散到5000次写操作，如果异步任务性能好一些，完全没有问题。

关于微信朋友圈的技术资料：

5、Feed流技术实现方案2：读写混合模式

读写混合也可以称作“推拉结合”，这种方式可以兼具读扩散和写扩散的优点。

我们首先来总结一下读扩散和写扩散的优缺点：
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见上图：仔细比较一下读扩散与写扩散的优缺点，不难发现两者的适用场景是互补的。

因此：在设计后台存储的时候，我们如果能够区分一下场景，在不同场景下选择最适合的方案，并且动态调整策略，就实现了读写混合模式。

原理如下图：
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以微博为例：当何炅这种粉丝量超大的人发帖时，将帖子写入何炅的发件箱，另外提取出来何炅粉丝当中比较活跃的那一批（这已经可以筛掉大部分了），将何炅的帖子写入他们的收件箱。当一个粉丝量很小的路人甲发帖时，采用写扩散方式，遍历他的所有粉丝并将帖子写入粉丝收件箱。

对于那些活跃用户登录刷Feed流时：他直接从自己的收件箱读取帖子即可，保证了活跃用户的体验。

当一个非活跃的用户突然登录刷Feed流时：

1）一方面需要读他的收件箱；
2）另一面需要遍历他所关注的大V用户的发件箱提取帖子，并且做一下聚合展示。

在展示完后：系统还需要有个任务来判断是否有必要将该用户升级为活跃用户。

因为有读扩散的场景存在，因此即使是混合模式，每个阅读者所能关注的人数也要设置上限，例如新浪微博限制每个账号最多可以关注2000人。

如果不设上限：设想一下有一位用户把微博所有账号全部关注了，那他打开关注列表会读取到微博全站所有帖子，一旦出现读扩散，系统必然崩溃（即使是写扩散，他的收件箱也无法容纳这么多的微博）。

读写混合模式下，系统需要做两个判断：

1）哪些用户属于大V，我们可以将粉丝量作为一个判断指标；
2）哪些用户属于活跃粉丝，这个判断标准可以是最近一次登录时间等。

这两处判断标准就需要在系统发展过程中动态地识别和调整，没有固定公式了。

可以看出：读写结合模式综合了两种模式的优点，属于最佳方案。

然而他的缺点是：系统机制非常复杂，给程序员带来无数烦恼。通常在项目初期，只有一两个开发人员，用户规模也很小的时候，一步到位地采用这种混合模式还是要慎重，容易出bug。当项目规模逐渐发展到新浪微博的水平，有一个大团队专门来做Feed流时，读写混合模式才是必须的。

6、Feed流中的分页问题

上面几节已经叙述了基于时间线的几种Feed流常见设计方案，但实操起来会比理论要麻烦许多。

接下来专门讨论一个Feed流技术方案中的痛点——Feed流的分页。

不管是读扩散还是写扩散，Feed流本质上是一个动态列表，列表内容会随着时间不断变化。传统的前端分页参数使用page_size和page_num，分表表示每页几条，以及当前是第几页。

对于一个动态列表会有如下问题：
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如上图所示：在T1时刻读取了第一页，T2时刻有人新发表了“内容11”，在T3时刻如果来拉取第二页，会导致错位出现，“内容6”在第一页和第二页都被返回了。事实上，但凡两页之间出现内容的添加或删除，都会导致错位问题。

为了解决这一问题：通常Feed流的分页入参不会使用page_size和page_num，而是使用last_id来记录上一页最后一条内容的id。前端读取下一页的时候，必须将last_id作为入参，后台直接找到last_id对应数据，再往后偏移page_size条数据，返回给前端，这样就避免了错位问题。

如下图：
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采用last_id的方案有一个重要条件：就是last_id本身这条数据不可以被硬删除。

设想一下：

1）上图中T1时刻返回5条数据，last_id为内容6；
2）T2时刻内容6被发布者删除；
3）那么T3时刻再来请求第二页，我们根本找不到last_id对应的数据了，也就无法确认分页偏移量。

通常碰到删除的场景：我们采用软删除方式，只是在内容上置一个标志位，表示内容已删除。

由于已经删除的内容不应该再返回给前端，因此软删除模式下，找到last_id并往后偏移page_size条，如果其中有被删除的数据会导致获得足够的数据条数给前端。

这里一个解决方案是找不够继续再往下找，另一种方案是与前端协商，允许返回条数少于page_size条，page_size只是个建议值。甚至大家约定好了以后，可以不要page_size参数。

7、Feed流技术方案在某直播应用中的实践

7.1需求背景

本节将结合实际业务，分享一下实际场景中碰到的一个非常特殊的Feed流设计方案。

xx 直播是一款直播带货工具，主播可以创建一场未来时刻的直播，到时间后开播卖货，直播结束后，主播的粉丝可以查看直播回放。

这样，每个直播场次就有三种状态——预告中（创建一场直播但还未开播）、直播中、回放。

作为观众，我可以关注多位主播，这样从粉丝视角来看，也会有个直播场次的Feed流页面。

这个Feed流最特殊的地方在于它的排序规则：
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解释一下这个Feed流排序规则：

1）我关注的所有主播：正在直播中的场次排在最前；预告中的场次排中间；回放场次排最后；
2）多场次都在直播中的：按开播时间从晚到早排序；
3）多场次都在预告中的：按预计开播时间从早到晚排序；
4）多场次都在回放的：按直播结束时间从晚到早排序。

7.2问题分析

本需求最复杂的点在于Feed流内容融入的“状态”因素，状态的转变会直接导致Feed流顺序不同。

为了更清晰解释一下对排序的影响，我们可以用下图详细说明：
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上图中：展示了4个主播的5个直播场次，作为观众，当我在T1时刻打开页面，看到的顺序是场次3在最上方，其余场次均在预告状态，按照预计开播时间从早到晚展示。当我在T2时刻打开页面，场次5在最上方，其余有三场在预告状态排在中间，场次3已经结束了所以排在最后。以此类推，直到所有直播都结束，所有场次最终的状态都会变为回放。

这里需要注意一点：如果我在T1时刻打开第一页，然后盯着页面不动，一直盯到T4时刻再下划到第二页，这时上一页的last_id，即分页偏移量很有可能因为直播状态变化而不知道飞到了什么位置，这会导致严重的错位问题，以及直播状态展示不统一的问题（第一页展示的是T1时刻的直播状态，第二页展示的是T4时刻的直播状态）。

7.3解决方案

直播系统是个单向关系链，和微博有些类似，每个观众会关注少量主播，每个主播会可能有非常多的关注者。

由于有状态变化的存在，写扩散几乎无法实现。

因为：如果采用写扩散的方式，每次主播创建直播、直播开播、直播结束这三个事件发生时导致的场次状态变化，会扩散为非常多次的写操作，不仅操作复杂，时延上也无法接受。

微博之所以可以写扩散：就是因为一条微博发出后，这篇微博就不会再有任何影响排序的状态转变。

而在我们场景中：“预告中”与“直播中”是两个中间态，而“回放”状态才是所有直播的最终归宿，一旦进入回放，这场直播也就不会再有状态转变。因此“直播中”与“预告中”状态可以采用读扩散方式，“回放”状态采取写扩散方式。

最终的方案如下图所示：
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如上图：会影响直播状态的三种事件（创建直播、开播、结束直播）全部采用监听队列异步处理。

我们为每一位主播维护一个直播中+预告中状态的优先级队列：

1）每当监听到有主播创建直播时，将直播场次加入队列中，得分为开播的时间戳的相反数（负数）；
2）每当监听到有主播开播时，把这场直播在队列中的得分修改为开播时间（正数）；
3）每当监听到有主播结束直播，则异步地将播放信息投递到每个观众的回放队列中。

这里有一个小技巧：前文提到，直播中状态按照开播时间从大到小排序，而预告中状态则按照开播时间从小到大排序，因此如果将预告中状态的得分全部取开播时间相反数，那排序同样就成为了从大到小。这样的转化可以保证直播中与预告中同处于一个队列排序。预告中得分全都为负数，直播中得分全都为正数，最后聚合时可以保证所有直播中全都自然排在预告中前面。

另外：前文还提到的另一个问题是T1时刻拉取第一页，T4时刻拉取第二页，导致第一页和第二页直播间状态不统一。

解决这个问题的办法是通过快照方式：当观众来拉取第一页Feed流时，我们依据当前时间，将全部直播中和预告中状态的场次建立一份快照，使用一个session_id标识，每次前端分页拉取时，我们直接从快照中读取即可。如果快照中读取完毕，证明该观众的直播中和预告中场次全部读完，剩下的则使用回放队列进行补充。

照此一来，我们的Feed流系统，前端分页拉取的参数一共有4个：
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每当碰到session_id和last_id为空，则证明用户想要读取第一页，需要重新构建快照。

这里还有一个衍生问题：session_id的如何取值？

答案是：

1）如果不考虑同一个观众在多端登录的情况，其实每一位观众维护一个快照id即可，也就是直接将系统用户id设为session_id；
2）如果考虑多端登录的情况，则session_id中必须包含每个端的信息，以避免多端快照相互影响；
3）如果不心疼内存，也可以每次随机一个字符串作为session_id，并设置一个足够长的过期时间，让快照自然过期。

以上设计：其实系统计算量最大的时刻就是拉取第一页，构建快照的开销。

目前的线上数据，对于只关注不到10个主播的观众（这也是大多数场景），拉取第一页的QPS可以达到1.5万。如果将第二页以后的请求也算进来，Feed流的综合QPS可以达到更高水平，支撑目前的用户规模已经绰绰有余。如果我们拉取第一页时只获取到前10条即可直接返回，将构建快照操作改为异步，也许QPS可以更高一些，这可能是后续的优化点。

8、本文小结

几乎所有基于时间线和关注关系的Feed流都逃不开三种基本设计模式：

1）读扩散；
2）写扩散；
3）读写混合。

具体到实际业务中，可能会有更复杂的场景，比如本文所说的：

1）状态流转影响排序；
2）微博朋友圈场景中会有广告接入、特别关注、热点话题等可能影响到Feed流排序的因素。

这些场景就只能根据业务需求，做相对应的变通了。

附录：更多社交应用架构设计文章

2 楼: 椎锋陷陈 · 3 年前

用群聊场景中的读扩散/写扩散来类比的话，就是：
读扩散：发出一条群聊消息后，写入该群的发件箱，每个群成员读取群消息都要拉取所加入的所在群的收件箱。
写扩散：发出一条群聊消息后，除了要写入该群的发件箱外，还要额外写入每个群成员的收件箱，群成员读取群消息只需要从自己的收件箱里读取即可。
读写混合模式：针对万人大群，优先使用读扩散模式，避免过重的写操作。如果业务层面有限制群成员的数量，如限制最多500人，则可以使用写扩散模式。

3 楼: JackJiang · 3 年前

引用：椎锋陷陈发表于 2021-08-20 09:08
用群聊场景中的读扩散/写扩散来类比的话，就是：
读扩散：发出一条群聊消息后，写入该群的发件箱，每个群 ...

原理都差不多