Python的Django框架中消息通知的计数器实现教程

故事的开始：.count()
假设你有一个Notification Model类，保存的主要是所有的站内通知：

class Notification(models.Model):
  """一个简化过的Notification类，拥有三个字段：

  - `user_id`: 消息所有人的用户ID
  - `has_readed`: 表示消息是否已读
  """

  user_id = models.IntegerField(db_index=True)
  has_readed = models.BooleanField(default=False)

理所当然的，刚开始你会通过这样的查询来获取某个用户的未读消息数：

# 获取ID为3074的用户的未读消息数
Notification.objects.filter(user_id=3074,has_readed=False).count()

当你的Notification表比较小的时候，这样的方式没有任何的问题，但是慢慢的，随着业务量的扩大。消息表里面有了上亿条数据。很多懒惰的用户的未读消息数都到了上千条。

这时候，你就需要实现一个计数器，让这个计数器来统计每个用户的未读消息数，这样比起之前的 count() ，我们只需要执行一条简单的主键查询（或者更优）就可以拿到实时的未读消息数了。

更优的方案：建立计数器
首先，让我们得建立一个新表来存储每个用户的未读消息数。

class UserNotificationsCount(models.Model):
  """这个Model保存着每一个用户的未读消息数目"""

  user_id = models.IntegerField(primary_key=True)
  unread_count = models.IntegerField(default=0)

  def __str__(self):
    return '<UserNotificationsCount %s: %s>' % (self.user_id,self.unread_count)

我们为每一个注册用户提供了一条对应的 UserNotificationsCount 记录来保存他的未读消息数。每次获取他的未读消息数的时候，只需要 UserNotificationsCount.objects.get(pk=user_id).unread_count 就可以了。

接下来，问题的重点来了，我们如何知道什么时候应该更新我们的计数器？Django在这方面提供了什么捷径吗？

挑战：实时更新你的计数器

为了让我们的计数器正常的工作，我们必须实时的更新它，这包括：

当有新的未读消息过来的时候，为计数器 +1
当消息被异常删除时，如果关联的消息为未读，为计数器 -1
当阅读完一个新消息的时候，为计数器 -1

让我们一个一个来解决这些情况。

在抛出解决方案之前，我们需要先介绍Django中的一个功能： Signals ，Signals是django提供的一个事件通知机制，它可以让你在监听某些自定义或者预设的事件，当这些事件发生的时候，调用实现定义好的方法。

比如 django.db.models.signals.pre_save & django.db.models.signals.post_save 表示的是某个Model调用save方法之前和之后会触发的事件，它和Database提供的触发器在功能上有一点相似。

关于Signals更多的介绍可以参考官方文档，下面让我们来看看Signals能给我们的计数器带来什么好处。

1. 当有新的消息过来的时候，为计数器 +1

这个情况应该是最好处理的，使用Django的Signals，只需要短短几行代码，我们便可以实现这种情况下的计数器更新：

from django.db.models.signals import post_save,post_delete

def incr_notifications_counter(sender,instance,created,**kwargs):
  # 只有当这个instance是新创建，而且has_readed是默认的false才更新
  if not (created and not instance.has_readed):
    return

  # 调用 update_unread_count 方法来更新计数器 +1
  NotificationController(instance.user_id).update_unread_count(1)

# 监听Notification Model的post_save信号
post_save.connect(incr_notifications_counter,sender=Notification)

这样，每当你使用 Notification.create 或者 .save() 之类的方法创建新通知时，我们的 NotificationController 便会得到通知，为计数器 +1。

但是请注意，因为我们的计数器是基于Django的signals，如果你的代码里面有地方在使用原始sql，没有通过Django ORM方法来添加新通知的话，我们的计数器是不会得到通知的，所以，最好规范所有的新通知建立方式，比如使用同一个API。

2. 当消息被异常删除时，如果关联的消息为未读，为计数器 -1

有了第一个的经验，这种情况处理起来也比较简单，只需要监控Notification的post_delete 信号就可以了，下面是一段实例代码：

def decr_notifications_counter(sender,**kwargs):
  # 当删除的消息还没有被读过时，计数器 -1
  if not instance.has_readed:
    NotificationController(instance.user_id).update_unread_count(-1)

post_delete.connect(decr_notifications_counter,sender=Notification)

至此，Notification的删除事件也能正常的更新我们的计数器了。

3. 当阅读一个新消息的时候，为计数器 -1

接下来，当用户阅读某条未读消息的时候，我们也需要更新我们的未读消息计数器。你可能会说，这有什么难的？我只要在我的阅读消息的方法里面，手动更新我的计数器不就好了？

比如这样：

class NotificationController(object):

  ... ...

  def mark_as_readed(self,notification_id):
    notification = Notification.objects.get(pk=notification_id)
    # 没有必要重复标记一个已经读过的通知
    if notication.has_readed:
      return

    notification.has_readed = True
    notification.save()
    # 在这里更新我们的计数器，嗯，我感觉好极了
    self.update_unread_count(-1)

通过一些简单的测试，你可以会觉得你的计数器工作的非常好，但是，这样的实现方式有一个非常致命的问题，这个方式没有办法正常处理并发的请求。

打一个比方，你拥有一个id为100的未读消息对象，这个时候同时有了两个请求过来，都要标记这个通知为已读：

# 因为两个并发的请求，假设这两个方法几乎同时被调用
NotificationController(user_id).mark_as_readed(100)
NotificationController(user_id).mark_as_readed(100)

显而易见的，这两次方法都会成功的标记这条通知为已读，因为在并发的情况下， if notification.has_readed 这样的检查无法正常工作，所以我们的计数器将会被错误的 -1 两次，但其实我们只读了一条请求。

那么，这样的问题应该怎么解决呢？

基本上，解决并发请求产生的数据冲突只有一个办法：加锁，介绍两种比较简单的解决方案：

使用 select for update 数据库查询

select ... for update 是数据库层面上专门用来解决并发取数据后再修改的场景的，主流的关系数据库比如MysqL、postgresql都支持这个功能，新版的Django ORM甚至直接提供了这个功能的shortcut 。关于它的更多介绍，你可以搜索你使用的数据库的介绍文档。

使用 select for update 后，我们的代码可能会变成这样：

from django.db import transaction

class NotificationController(object):

  ... ...

  def mark_as_readed(self,notification_id):
    # 手动让select for update和update语句发生在一个完整的事务里面
    with transaction.commit_on_success():
      # 使用select_for_update来保证并发请求同时只有一个请求在处理，其他的请求
      # 等待锁释放
      notification = Notification.objects.select_for_update().get(pk=notification_id)
      # 没有必要重复标记一个已经读过的通知
      if notication.has_readed:
        return

      notification.has_readed = True
      notification.save()
      # 在这里更新我们的计数器，嗯，我感觉好极了
      self.update_unread_count(-1)

除了使用``select for update``这样的功能，还有一个比较简单的办法来解决这个问题。

使用update来实现原子性修改

其实，更简单的办法，只要把我们的数据库改成单条的update就可以解决并发情况下的问题了：

def mark_as_readed(self,notification_id):
    affected_rows = Notification.objects.filter(pk=notification_id,has_readed=False)\
                      .update(has_readed=True)
    # affected_rows将会返回update语句修改的条目数
    self.update_unread_count(affected_rows)

这样，并发的标记已读操作也可以正确的影响到我们的计数器了。

高性能？
我们在之前介绍了如何实现一个能够正确更新的未读消息计数器，我们可能会直接使用UPDATE 语句来修改我们的计数器，就像这样：

from django.db.models import F

def update_unread_count(self,count)
  # 使用Update语句来更新我们的计数器
  UserNotificationsCount.objects.filter(pk=self.user_id)\
                 .update(unread_count=F('unread_count') + count)

但是在生产环境中，这样的处理方式很有可能造成严重的性能问题，因为如果我们的计数器在频繁更新的话，海量的Update会给数据库造成不小的压力。所以为了实现一个高性能的计数器，我们需要把改动暂存起来，然后批量写入到数据库。

使用 redis 的 sorted set ，我们可以非常轻松的做到这一点。

使用sorted set来缓存计数器改动

redis是一个非常好用的内存数据库，其中的sorted set是它提供的一种数据类型：有序集合，使用它，我们可以非常简单的缓存所有的计数器改动，然后批量回写到数据库。

RK_NOTIFICATIONS_COUNTER = 'ss_pending_counter_changes'

def update_unread_count(self,count):
  """修改过的update_unread_count方法"""
  redisdb.zincrby(RK_NOTIFICATIONS_COUNTER,str(self.user_id),count)

# 同时我们也需要修改获取用户未读消息数方法，使其获取redis中那些没有被回写
# 到数据库的缓冲区数据。在这里代码就省略了

通过以上的代码，我们把计数器的更新缓冲在了redis里面，我们还需要一个脚本来把这个缓冲区里面的数据定时回写到数据库中。

通过自定义django的command，我们可以非常轻松的做到这一点：

# File: management/commands/notification_update_counter.py

# -*- coding: utf-8 -*-
from django.core.management.base import BaseCommand
from django.db.models import F

# Fix import prob
from notification.models import UserNotificationsCount
from notification.utils import RK_NOTIFICATIONS_COUNTER
from base_redis import redisdb

import logging
logger = logging.getLogger('stdout')


class Command(BaseCommand):
  help = 'Update UserNotificationsCounter objects,Write changes from redis to database'

  def handle(self,*args,**options):
    # 首先，通过 zrange 命令来获取缓冲区所有修改过的用户ID
    for user_id in redisdb.zrange(RK_NOTIFICATIONS_COUNTER,-1):
      # 这里值得注意，为了保证操作的原子性，我们使用了redisdb的pipeline
      pipe = redisdb.pipeline()
      pipe.zscore(RK_NOTIFICATIONS_COUNTER,user_id)
      pipe.zrem(RK_NOTIFICATIONS_COUNTER,user_id)
      count,_ = pipe.execute()
      count = int(count)
      if not count:
        continue

      logger.info('Updating unread count user %s: count %s' % (user_id,count))
      UserNotificationsCount.objects.filter(pk=obj.pk)\
                     .update(unread_count=F('unread_count') + count)

之后，通过 python manage.py notification_update_counter 这样的命令就可以把缓冲区里面的改动批量回写到数据库了。我们还可以把这个命令配置到crontab中来定义执行。

总结
文章到了这里，一个简单的“高性能”未读消息计数器算是实现完了。说了这么多，其实主要的知识点就是这么些：

使用Django的signals来获取Model的新建/删除操作更新
使用数据库的select for update来正确处理并发的数据库操作
使用redis的sorted set来缓存计数器的修改操作
希望能对您有所帮助。 :)

Python的Django框架中消息通知的计数器实现教程

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