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前言
业务已基于 Redis 实现了一个高可用的排行榜服务，长期以来相安无事。有一天，产品说：我要一个按周排名的排行榜，以反映本周内用户的活跃情况。于是周榜（按周重置更新的榜单）诞生了。为了满足产品多变的需求，我们一并实现了小时榜、日榜、周榜、月榜几种周期榜。本以为可长治久安了，又有一天，产品体验业务后说：我想要一个最近 7 天榜，反映最近一段时间的用户活跃情况，不想让历史的高分用户长期占据榜首，可否？于是，滚动榜（最近 N 期榜）的需求诞生了。
周期榜
周期榜实现还是很容易的，给每个周期算出一个序号，作为榜单名后缀，进入新的周期自然切换读写新榜单，平滑过度。以日榜为例，根据时间戳 ts 计算每日序号 s =ts/86400，以日序号 s 作为后缀即可实现零点后自动读写新日榜。小时榜与此雷同，不再赘述。
对于周榜，可以选定某一个周一（或周日，看需求）的时间戳为基准，计算基准到当前经过的周数为周序号，以此作为榜单后缀。
对于月榜，稍有不同，因为月份天数不固定，所以不能按照上述方法计算。但我们可以根据时间戳取得年、月信息，以年月做标志（如 201810）后缀，即可实现月榜。
滚动榜
方案探讨
滚动榜需要考虑多个周期榜数据的聚合与自动迭代更新，实现起来就没那么容易了。下面分析几个方案。
方案 1：每日一个滚动榜，当日离线补齐数据
还以日榜为例，最近 N 天榜就是把前 N - 1 天到当天的每一个日榜榜单累加即可，比如最近 7 天榜，就是前 6 天到当天的每一个日榜中相同元素数据累加。因此，最直观的一个方案是：首先记录每天的排行榜 R，那么第 i 天的最近 N 天榜 Si=∑N−1n=0Ri−n，其中，Ri−x 表示第 i 天的前 x 天的日榜。实现上，可以每日生成一个滚动榜 S 和当天日榜 R，加分时同时写入 S 和 R，每日零点后跑工具将前 N - 1 天数据累加写入当日滚动榜 S。
这个方案的优点是直观，实现简单。但缺点也很明显，一是每日一个滚动榜，消耗内存较多；二是数据更新不实时，需要等待离线作业完成累加后 S 中的数据才完全正确；三是时间复杂度高，7 天榜还好，只需要读过去 6 天数据，如果是 100 天榜，该方案需要读过去 99 天榜，显然不可接受。
方案 2：全局一个滚动榜，当日离线补齐数据
基于方案 1，如果业务无需查询历史的 S，可以只使用全局一个 S，无需每日创建一个 Si。加分操作还是同时加当日的 Ri 和全局唯一的 S，但每日零点的离线作业改为从 S 中减去 Ri−(N−1) 的数据（即将最早一天的数据淘汰，从而实现 S 的计数滚动）。
此方案减少了内存使用，同时离线任务每次只需读取一个日榜做减法，时间复杂度为 O(1)；但仍需要离线作业完成才能保证数据正确性，还是无法做到平滑过渡。
方案 3：每日一个滚动榜，实时更新
要做到每日零点后榜单实时生效，而不需要等待离线作业的完成，一种方案是预写未来的榜单。不难得出，当日分数会计入往后 N - 1 天的滚动榜中。因此，可以写当天的滚动榜 Si 的同时，写往后 N - 1 天的榜单 Si+ 1 到 Si+N−1。
该方案不仅能脱离离线作业做到实时更新，且可以省略每天的日榜。但缺点也不难看出，对于 7 天滚动榜，每次写操作需要更新 7 个榜单，写入量小时还勉强能接受，如果写操作量大或者需要的是 30 天、60 天滚动榜，此方案可行性几乎为零。
方案 4：实时更新，常数次写操作
有不有办法做到既能实时更新，写榜数量也不随 N 的增加而增加呢？不难看出，第 i 天滚动榜 Si=∑N−1n=0Ri−n，而第 i + 1 天的滚动榜 Si+1=∑N−1n=0R(i+1)−n=∑N−2n=0Ri−n+Ri+1。显然，Si+1=Si−Ri−(N−1)+Ri+1。由于 Ri+ 1 在刚达到零点时必然为空且可以在次日实时加到 Si+ 1 上，因此如果我们能提前准备好 Si−Ri−(N−1) 这部分数据，那么在零点进入 i + 1 天后，Ri+ 1 自然就是可用状态了。
以 3 天滚动榜为例，次日滚动榜初始态为当日滚动榜减去 n - 2 天的日榜数据。
+——————————————-+
| |
+—-+—+ +——–+ +——–+ |
| | | | | | |
| R(i-2) | | R(i-1) | | R(i) | |
| | | | | | |
+—-+—+ +—-+—+ +—+—-+ |
| | | |
| | | |
| | | |
| | v+ v-
| |
| | + +——–+ +——–+
| +—–> | | + | |
| + | S(i) | +—+> | S(i+1) |
+—————–+> | | | |
+——–+ +——–+
那么，如何提前准备好 Si−Ri−(N−1) 这部分数据呢？可以如下处理：
对一个元素加分时，加当日周期榜 Ri、滚动榜 Si；还需根据其在今日滚动榜中的分数 s、及 n - 1 天日榜中的分数 r，计算出其在明日滚动榜中的初始分数 s - r 写入明日滚动榜中；即 3 个写操作；
如果一个元素在当日没有任何加分操作，那么不会触发写入初始分数操作，所以还需要一个离线工具补齐。与方案 1、2 不同的是，该离线工具可提前一天运行，即当日运行离线工具补齐次日的滚动榜数据即可。
简而言之：第一步是运行离线工具生成次日的滚动榜；第二步是在写操作时同时更新次日的滚动榜。
该方案也是每日一个滚动榜。相对方案 3 而言，是空间换时间。如果空间不足且无保留历史的需求，可在离线工具中清理历史数据。
+————–+
| |
| AddScore |
| |
+-+—-+—–+-+
| | |
v | |
+——–+ +——–+ +——-++ | |
| | | | | | | |
| R(i-2) | | R(i-1) | | R(i) | | |
| | | | | | | |
+——–+ +——–+ +——–+ | |
| v
+——–+ | ++——-+
| | | | |
| S(i) +<–+ | S(i+1) |
| | | |
+——–+ +—-+—+
^
|
|
+——+—–+
| |
| Tool |
| |
+————+
方案 4 的实现
以下是实现参考。此处仅列出核心的 lua 脚本。Redis 命令调用脚本的参数定义为：
eval script 4 当日日榜 key 当日滚动榜 key 即将淘汰的日榜 key 明日滚动榜 key 榜单元素名 加分数
lua 脚本 script 如下：
– 加今日日榜分数
redis.call(‘ZINCRBY’, KEYS[1], ARGV[2], ARGV[1])
– 加今日滚动榜分数
local rs = redis.call(‘ZINCRBY’, KEYS[2], ARGV[2], ARGV[1])
local curRoundScore = 0
if (rs) then
curRoundScore = tonumber(rs)
end
– 取即将淘汰的日榜分数
rs = redis.call(‘ZSCORE’, KEYS[3], ARGV[1])
local oldCycleScore = 0
if (rs) then
oldCycleScore = tonumber(rs)
end
– 计算次日滚动榜初始分数
local nextRoundScore = curRoundScore – oldCycleScore
if nextRoundScore < 0 then
nextRoundScore = 0
end
– 设置次日滚动榜分数
redis.call(‘ZADD’, KEYS[4], nextRoundScore, ARGV[1])
– 返回今日分数
rs = redis.call(‘ZREVRANK’, KEYS[2], ARGV[1])
return {curRoundScore, rs}
关于榜单 key 计算准确度的探讨 我们的业务是在排行榜接入层逻辑中计算榜单后缀的，这种方案对逻辑层多台机器的时间一致性要求较高，如果逻辑层服务器时钟不一致，可能在时间切换点上出现不同机器读写不同榜单的问题。如果业务对时间精确度要求严格，可以考虑通过 lua 脚步在 redis 端计算后缀。
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关于内存容量限制的探讨 基于 ZSet 实现的排行榜，每个元素约需要 100 字节内存。如果榜单长度为 1000 万，则每个榜单约需要 1G 内存。滚动榜的计算需要每日保留一个日榜，如果滚动周期较长，则可能单机内存容量不足以容纳所有需要的榜单。考虑到历史日榜数据是不会变更的，因此不在 lua 脚本中读取历史日榜数据也无一致性问题。故可以将榜单打散到多个 Redis 实例，在接入层做逻辑读取历史日榜的分数，再以参数形式传入给 lua 脚本处理。
总结
在榜单长度不大且并发量不高的场景下，使用关系数据库 +Cache 的方案实现排行榜有更高的灵活性。而在海量数据与高并发的场景下，Redis 是一个更好的选择。本文基于 Redis 实现的滚动榜，不论滚动周期多长，都只需要常数（3）次数的写操作，有较好的性能和可扩展性。且通过离线 + 在线的双预生成机制，确保了榜单实时生效，可用性较强。
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