常见分布式应用系统设计图解（三）：Top K 系统

“ Top K 系统 ” 是非常常见的一种子系统，基本上，就是从全量巨大的统计数据中，筛选出数值最大的 K 个来并按序展示。这样的筛选可以是全时间内的，也可以是最近某一段时间内的；可以是全分类的，也可以是某个特定分类的。

具体来说，像 Twitter 的 Trending Topic，微博热搜，视频网站的点击排行，下载排行（可以是日榜、月榜、总榜）等等。这样的系统，在统计数据非常大（heavy hitters）的时候，其中的挑战性在于两个：

1. 无法简单地在单台机器的内存中进行目标 id -> count 计数的简单映射，因为数据量太大，内存放不下。
2. 无法用实时的方式高效地显示出动态变化的 Top K 列表来。

• 上图包含了两个思路，一个是实时排行（榜单），通过 Count-min Sketch 实现，快速，但是不够精确（或者使用 Lossy Counting）；另一个是周期性排行，通过异步的 MR 数据处理实现，数据上看比较准确，但是处理是异步的，实时性差。
• 第一个思路方面，统计要尽可能实时。为了提高处理效率，用户的话题引用可以直接进入 filter 进行处理。在我读到的某些材料中，类似系统这一步也有通过异步批量的方式进入队列并处理的。不过在这里，我还是保留了比较简单的一种实现。
• 接着经过简单的 filtering 和 parsing 去掉不关心的数据，比如对于微博的话题来说，某一些词是小词，或者是我们不希望成为话题的词；而某一些近似词可以合并。完成以后数据有两个去向，一个是右侧的即时统计，一个是持久化到下方的数据库中（这个数据库可以是 Redis 这样的 KV 数据库）。
• 对于每一个词，经过 hash 以后，到 Count-min Sketch 表格中累积计数，并根据计数到当前大小为 K 的最小堆（这个最小堆用来存放一定时间内累计的前 K 大条目）中寻找是否比堆顶更大，如果是，就入堆并移除原堆顶，从而保持堆的大小为 K。由于 Count-min Sketch 这个堆的大小都是确定并可控的，这样的统计就可以在单个节点上完成了。
• 如果需要的即时统计数据不是 “总榜”，而是最近一段时间的 “趋势榜”，那就可以借助 Ring Buffer——比如我们只关心最近一小时的趋势，就可以把一小时划分为 ring 上的 60 个区间，每个区间使用 Count-min Sketch 甚至简单的 Map 分别统计，趋势榜每次可聚合这 60 个区间得出 top K；每过一分钟都覆写最老的那一个区间的数据，从而保证 ring 上的数据始终是最近一小时的。
• 第二个思路方面，统计不实时，但相对精确。对于这些持久化的数据，由 MR 的 job 定期执行来处理，并更新结果到数据库中。
• 读取数据的时候，根据需要可以读取即时统计或者异步计算得到的统计数据，数据可以在外部缓存。

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