最近一个月在学习关系性数据库mysql, 顺便看了一下http服务器的编写。写了这么久的游戏服务器,数据库也一直使用nosql。因此在初次尝试使用mysql编写http服务器程序时，产生了强烈的反差。

在使用APP的验证过程中，经常会遇到短信验证码问题。

下面就以‘如何实现短信验证码服务’来对比一下http服务器和游戏服务器（mysql和nosql)解决此类问题的不同之处。主要涉及数据结构定义、优化、及逻辑代码的更新问题。

先来明确一下‘业务流程’，最简单的‘短信验证码服务’至少要提供3个操作：

1. APP向‘短信验证码服务’发送请求获取验证码
2. 其他服务向‘短信验证码服务’发送请求校验验证码是否正确（这里的‘其他服务和‘短信验证码服务’有可能是同一个服务，这里只是假定，‘短信验证码服务’被单独实现为一个微服务)
3. 定期删除超时的短信验证码(这里验证码超时时间为5分钟)

先说执行流程：

http服务器的每次请求都是相互独立的，即每个请求都是先查询当前DB（这里假设使用Mysql)的状态，然后将状态写入内存，然后根据内存中的状态执行逻辑，然后把处理结果写入DB，释放所有资源（这里仅仅是理论上，比如可能连接DB时会采用连接池，那么释放时也仅仅是把链接归还到链接池而已)。而这里要实现的‘短信验证服务’基本上属于纯DB操作，因此下面直接展示sql语句，逻辑代码直接略过。

而游戏服务器则不太一样，一般会把要操作的数据提前加载入内存，当处理请求时，直接根据当前内存的状态，来处理逻辑，最后把结果写入内存，并极据不同的策略更新到DB。也就是说，不管DB定义的数据结构是怎样的，进程内的数据结构才是直接影响请求处理效率的关键。

先来看按‘http服务器’如何实现‘短信验证服务’。

首先定义mysql中的数据结构:

create table verifycode (
	phone bigint unsigned not null primary key,
	code int unsigned not null,
	time timestamp not null
);

为电话号码为‘100000000’生成一个短信验证码：

insert into verifycode (phone,code) 
values (100000000, floor(rand() * 10000)) 
on duplicate key update 
time= current_timestamp(),code=floor(rand() * 10000);

为‘其他服务’提供电话号码为‘100000000’验证码为10005验证功能：

select count(*) from verifycode where phone = 100000000 and code = 10005;

定期删除过期的验证码(此段代码需要开个定时器执行)：

delete from verifycode where 
time < DATE_SUB(CURRENT_TIMESTAMP, INTERVAL 5 MINUTE);

再来看看如果按‘游戏服务器’的方式该如何实现（直接在进程内操作, 以C++的方式呈现)。

定义数据结构：

struct verifycode {
        long int phone;
        int code;
        time_t time;
};
std::unordered_map<long int, struct verifycode> verifycode_pool;

为电话号码为‘100000000’生成一个短信验证码：

auto &c = verifycode_pool[++codeidx];
c.code = rand() % 10000;
c.phone = 100000000;
c.time = time(nullptr);

为‘其他服务’提供电话号码为‘100000000’验证码为10005验证功能：

auto iter = verifycode_pool.find(100000000);
return (iter != verifycode_pool.end() && iter->second.code == 10005);

定期删除过期的验证码(此段代码需要开个定时器执行)：

time_t now = time(nullptr) - 5 * 60;
for (auto iter = verifycode_pool; iter != verifycode_pool; ) {
        if (iter->second.time < now)
                iter = verifycode_pool.erase(iter);
        else
                ++iter;
}

对比一下mysql版本和C++版本的短信验证码服务。可以发现，C++版本的代码基本上就是mysql版本中sql语句的翻译。

也就是说到目前为止，除了http服务器每一个请求都会重新读取Mysql和写入mysql的设计原则与游戏服务器不同外，设计思路上完全一致。

但是上述实现有几个问题。

1. 定期删除过期验证码，需要扫描整张表，时间复杂度为O(N)，在有大量验证码的情况下，一次清理就会卡整个进程或整张表，导致”Stop The World”，而mysql在不使用索引的情况下，扫描整张表会更慢。
2. sql语句使用了now(),rand()之类的函数，这将导致mysql查询缓存失效（mysql版’短信验证码服务’特有问题，这个可以通过在应用程序中生成常量值来替换sql语句中的now/rand函数，下面优化不再列出)

为了解决删除过期验证码过慢的问题。

‘http服务器’的优化版本需要做出如下修改，为time字段添加索引：

create table verifycode (
	phone bigint unsigned not null primary key,
	code int unsigned not null,
	time int not null,
        index(time)
);

而C++版本则需要重新设计数据结构, 并实现相应的算法。

采用Time Wheel的方式，将过期的Key直接为300组，超时直接删除整组。

time_t lastupdate = now();
std::unordered_map<long int, int> verifycode;
std::unordered_set verifyexpire[5 * 60];

为电话号码为‘100000000’生成一个短信验证码：

int idx = now() / (5 * 60);
verifycode[100000000] = rand() % 10000;
verifyexpire[idx] = 100000000

为‘其他服务’提供电话号码为‘100000000’验证码为10005验证功能：

auto iter = verifycode.find(100000000);
return (iter != verifycode.end() && iter->second == 10005);

定期删除过期的验证码(此段代码需要开个定时器执行)：

time_t now = time(nullptr);
while (lastupdate <= now) {
        int idx = lastupdate % (5 * 60);
        auto &e = verifyexpire[idx];
        for (auto phone:e)
                verifycode.erase(phone);
        e.clear();
        lastupdate++;
}
lastupdate = now;

从优化后的代码，再来对比一下两者的优缺点。

HTTP服务器，特点：
1. 业务逻辑每个请求都需要读取写入数据库，因此相比游戏服务器的方式来讲会请求会慢很多
2. 业务逻辑均采用关系数据库来进行存储（这是并不是绝对的，现在很多服务器已经开始采用nosql来存储了), 一般只能维绕着sql语句和索引进行优化
3. 数据与逻辑分离，可以动态热更新逻辑代码
4. 数据与逻辑分离，当业务请求能力处理不足，而瓶颈不在DB时，可通过增加逻辑服务器来动态扩容，具有极大的可伸缩性
5. 合理的DB集群架构设计，当DB达到瓶颈时，可动态扩容

游戏服务器，特点：
1. 数据均在进程中内存进行操作，可扩展性差。
2. 由于进程中内存残留业务逻辑状态，几乎或很难进行逻辑代码的热更新。
3. 不同的业务模型需要根据情况设计，才可以使集群具有可伸缩性，不像HTTP天然具有可伸缩性。
4. 数据表现力强，可以充分利用编程语言提供的各种表现方式，优化形式多样。
5. 所的请求全部基于内存状态进行处理，处理速度快

ps.mysql中的InnoDB索引采用B+Tree来实现，因此time字段加上索引后，单纯的从算法上与使用TimeWheel实现的C++版本相比，时间复杂度上并不会有显著区别。在更复杂的应用场景，DB和编程语言实现过程中的优化形式可能会相差甚远，但其本质上也是相同的，都是尽可能快的提高访问速度。