最近复盘项目的时候，把CTF平台中实时榜单的后端设计部分整理了一下，在此分享出来。

1.CTF平台实时榜单功能介绍（需求分析）

线上CTF竞赛（夺旗赛）通常是在限定的时间内访问题目，解出flag后在平台上提交，提交后能够获得一定的分数，最后会按总分进行排序确定此次竞赛的成绩。

在CTF竞赛中，榜单功能是访问量最高的一个功能，通过查看榜单的排名，做题情况，能够感知题目的难度，方便及时调整团队做题的策略。这个榜单通常需要反映全部战队的一个做题情况，包括每个题的解出情况，大致如下图（截图来自i春秋，第二届“祥云杯”网络安全大赛暨吉林省第四届大学生网络安全大赛）。

大致会有如下功能：

• 1.整体按总分进行排序。
• 2.对于每一行，除了显示战队的基础信息，总分之外，还会显示每一个题目的解出情况，包括是否一二三血。
• 3.实时榜单，有任何题目解出情况，题目变动情况（增删题目），总榜单都会实时变动。

实时榜单功能作为整个CTF平台最重要的功能之一，同时也是访问量最高的一个功能，对这个功能做一个比较全面的设计是很有必要的。

2.实时榜单具体功能点特点分析

对实时榜单整个接口来说，一般具体以下特点：

• 1.接口访问特别频繁，特别是在比赛快结束的时候，访问量几乎会翻几倍。
• 2.比赛过程中，除了极少数签到题，一般的题目不会集中在一个时间段内提交，实际解题成功的数量在总队伍数里面占比较少。
• 3.一般CTF竞赛会分批次的上题，也就是说：并不是比赛开始后，题目就不再变动了的。但是，上题次数不多，一般集中上题1-3次。
• 4.一般CTF题目的数量不会太多，总题目一般就20-50道左右。
• 5.一般参赛队伍数不会太多，一般参赛队伍一般在100-1500左右。
• 6.排名是实时会变动的。

3.难点分析

从上面的具体情况可以发现，其实整体的排序计算开销是非常小的，因为队伍数和题目数都非常少，主要的开销集中在数据库IO，而榜单接口的访问并发非常大，如果每次访问的请求最终都打到数据库上，很有可能造成数据库宕机。

如果简单的对榜单进行缓存，那么只要有人交题，就会导致缓存失效。这个时候还是有可能导致数据库宕机。

因此我们要设计好对榜单的缓存机制，尽量少访问数据库。

4.整体设计思路

通过上面的分析，我们设计榜单的关键就在如何在整个榜单维护在redis缓存中，从而降低数据库的查询次数。

在比赛期间，我们完全可以将整个榜单全部缓存到redis中，当比赛结束时，如果再次查询榜单（这个时候这个接口的访问量已经非常少了），我们可以从数据库中查出并将整个榜单存储到数据库中（因为此时整个榜单已经不会再变动）。

我们如果要保证缓存中的榜单总是实时正确的，就需要在有任何队伍分数发生变化的时候或者新增题目的时候，重新生成整份榜单并存回redis中，注意，这个时候，我们不需要从数据库中查询记录，只需要把提交记录保存到数据库，并且重新生成缓存即可。

除此之外，我们还需要注意一个问题，因为很有可能会出现多个线程对redis完成读，更新，写入的一个事务，这其中是存在线程安全问题的，针对上述提交正确次数不会过于集中的情况，我们可以对每个更新事务加锁来解决线程安全的问题。

总结一下：整体设计思路是：比赛过程中把榜单维护在redis中，比赛结束后，再将整份榜单记录写入到数据库。

5.部分涉及的实体类介绍

以下实体类我只将与榜单功能相关的字段写出来了，实际情况可以再添加更多的字段。

5.1 Team类

存储团队信息的实体类，和数据库字段一一对应。

/** * @author ATFWUS * @version 1.0 * @date 2021/11/12 16:48 * @description */public class Team {    // 团队名称    private String teamName;    // 团队id    private String id;    // 公司或学校名称    private String belongName;    // 组队性质    private String companyOrSchool;    public String getTeamName() {        return teamName;    }    public void setTeamName(String teamName) {        this.teamName = teamName;    }    public String getId() {        return id;    }    public void setId(String id) {        this.id = id;    }    public String getBelongName() {        return belongName;    }    public void setBelongName(String belongName) {        this.belongName = belongName;    }    public String getCompanyOrSchool() {        return companyOrSchool;    }    public void setCompanyOrSchool(String companyOrSchool) {        this.companyOrSchool = companyOrSchool;    }    @Override    public String toString() {        return "Team{" +                "teamName="" + teamName + "/"" +                ", id="" + id + "/"" +                ", belongName="" + belongName + "/"" +                ", companyOrSchool="" + companyOrSchool + "/"" +                "}";    }}

5.2 Problem类

题目的实体类，和数据库字段一一对应。

/** * @author ATFWUS * @version 1.0 * @date 2021/11/12 16:49 * @description */public class Problem {    // 题目id    private String problemId;    // 题目名称    private String problemName;    // 题目类型    private String tag;    // 题目分数    private Double score;    public String getProblemId() {        return problemId;    }    public void setProblemId(String problemId) {        this.problemId = problemId;    }    public String getProblemName() {        return problemName;    }    public void setProblemName(String problemName) {        this.problemName = problemName;    }    public String getTag() {        return tag;    }    public void setTag(String tag) {        this.tag = tag;    }    public Double getScore() {        return score;    }    public void setScore(Double score) {        this.score = score;    }    @Override    public String toString() {        return "Preoblem{" +                "problemId="" + problemId + "/"" +                ", problemName="" + problemName + "/"" +                ", tag="" + tag + "/"" +                ", score=" + score +                "}";    }}

5.3 ProblemSolveRecord

解题记录，和数据库字段一一对应，在使用的时候，是筛选出了所有提交正确的记录。

/** * @author ATFWUS * @version 1.0 * @date 2021/11/12 18:21 * @description 成功解题记录 */public class ProblemSolveRecord {    // 题目id    private String problemId;    // 解出团队    private String teamId;    // 解出人    private String userId;    // 题目名称    private String problemName;    // 题目类型    private String tag;    // 题目得分    private Double getScore;    // 是否一血    private Boolean firstBlood;    // 是否二血    private Boolean secondBlood;    // 是否三血    private Boolean tribleBlood;    public String getProblemId() {        return problemId;    }    public void setProblemId(String problemId) {        this.problemId = problemId;    }    public String getTeamId() {        return teamId;    }    public void setTeamId(String teamId) {        this.teamId = teamId;    }    public String getUserId() {        return userId;    }    public void setUserId(String userId) {        this.userId = userId;    }    public String getProblemName() {        return problemName;    }    public void setProblemName(String problemName) {        this.problemName = problemName;    }    public String getTag() {        return tag;    }    public void setTag(String tag) {        this.tag = tag;    }    public Double getGetScore() {        return getScore;    }    public void setGetScore(Double getScore) {        this.getScore = getScore;    }    public Boolean getFirstBlood() {        return firstBlood;    }    public void setFirstBlood(Boolean firstBlood) {        this.firstBlood = firstBlood;    }    public Boolean getSecondBlood() {        return secondBlood;    }    public void setSecondBlood(Boolean secondBlood) {        this.secondBlood = secondBlood;    }    public Boolean getTribleBlood() {        return tribleBlood;    }    public void setTribleBlood(Boolean tribleBlood) {        this.tribleBlood = tribleBlood;    }}

5.4 ProblemSolve

不是数据库中表对应的实体类，代表对某个队伍来说，具体某个题目的解题情况，用于榜单每一行的题目显示，相关字段可以从上述ProblemSolveRecord对象中拷贝。

/** * @author ATFWUS * @version 1.0 * @date 2021/11/11 22:11 * @description 具体题目情况 */public class ProblemSolve {    // 题目id    private String problemId;    // 题目名称    private String problemName;    // 题目类型    private String tag;    // 题目得分    private Double getScore;    // 是否一血    private Boolean firstBlood;    // 是否二血    private Boolean secondBlood;    // 是否三血    private Boolean tribleBlood;    public ProblemSolve(String problemId, String problemName, String tag) {        this.problemId = problemId;        this.problemName = problemName;        this.tag = tag;    }    public String getProblemId() {        return problemId;    }    public void setProblemId(String problemId) {        this.problemId = problemId;    }    public String getProblemName() {        return problemName;    }    public void setProblemName(String problemName) {        this.problemName = problemName;    }    public String getTag() {        return tag;    }    public void setTag(String tag) {        this.tag = tag;    }    public Double getGetScore() {        return getScore;    }    public void setGetScore(Double getScore) {        this.getScore = getScore;    }    public Boolean getFirstBlood() {        return firstBlood;    }    public void setFirstBlood(Boolean firstBlood) {        this.firstBlood = firstBlood;    }    public Boolean getSecondBlood() {        return secondBlood;    }    public void setSecondBlood(Boolean secondBlood) {        this.secondBlood = secondBlood;    }    public Boolean getTribleBlood() {        return tribleBlood;    }    public void setTribleBlood(Boolean tribleBlood) {        this.tribleBlood = tribleBlood;    }}

5.5 OneTotalRecord

代表榜单中的一行记录，包含了一行需要显示的所有记录字段。其中对于这个团队来说的所有解题情况，都可以靠titles集合来遍历。

注意这里将成功解题的方法添加到了实体类中。

/** * @author ATFWUS * @version 1.0 * @date 2021/11/11 21:53 * @description 总榜单条数据 */public class OneTotalRecord {    // 团队名称    private String teamName;    // 团队id    private String id;    // 公司或学校名称    private String belongName;    // 组队性质    private String companyOrSchool;    // 团队总解题数    private Integer totalSolveNum;    // 团队总分    private Double totalScore;    // 一血数    private Integer firstBlood;    // 最后一次成功提交时间    private Date lastSolveTime;    // 所有解题数据 具体的分类由前端进行分类    private List<ProblemSolve> titles = new LinkedList<>();    public OneTotalRecord(){    }    public OneTotalRecord(String teamName, String id, String belongName, String companyOrSchool){    }    public String getTeamName() {        return teamName;    }    public void setTeamName(String teamName) {        this.teamName = teamName;    }    public String getBelongName() {        return belongName;    }    public void setBelongName(String belongName) {        this.belongName = belongName;    }    public String getCompanyOrSchool() {        return companyOrSchool;    }    public void setCompanyOrSchool(String companyOrSchool) {        this.companyOrSchool = companyOrSchool;    }    public Integer getTotalSolveNum() {        return totalSolveNum;    }    public void setTotalSolveNum(Integer totalSolveNum) {        this.totalSolveNum = totalSolveNum;    }    public Double getTotalScore() {        return totalScore;    }    public void setTotalScore(Double totalScore) {        this.totalScore = totalScore;    }    public Integer getFirstBlood() {        return firstBlood;    }    public void setFirstBlood(Integer firstBlood) {        this.firstBlood = firstBlood;    }    public String getId() {        return id;    }    public void setId(String id) {        this.id = id;    }    public Date getLastSolveTime() {        return lastSolveTime;    }    public void setLastSolve(Date lastSolve) {        this.lastSolveTime = lastSolve;    }    public List<ProblemSolve> getTitles() {        return titles;    }    public void setTitles(List<ProblemSolve> titles) {        this.titles = titles;    }    public void solveOneProblem(ProblemSolve solve){        for(ProblemSolve problemSolve : titles){            if(problemSolve.getProblemId().equals(solve.getProblemId())){                problemSolve.setGetScore(solve.getGetScore());                problemSolve.setFirstBlood(solve.getFirstBlood());                problemSolve.setSecondBlood(solve.getSecondBlood());                problemSolve.setTribleBlood(solve.getTribleBlood());                totalScore += solve.getGetScore();                break;            }        }    }    @Override    public String toString() {        return "OneTotalRecord{" +                "teamName="" + teamName + "/"" +                ", id="" + id + "/"" +                ", belongName="" + belongName + "/"" +                ", companyOrSchool="" + companyOrSchool + "/"" +                ", totalSolveNum=" + totalSolveNum +                ", totalScore=" + totalScore +                ", firstBlood=" + firstBlood +                ", titles=" + titles +                "}";    }}

6.具体业务功能ServeiceImpl设计

针对上述需求分析，我们的榜单的Service接口只需要三个public方法即可。

• 1.public List getAllRecord(String competitionId) 获取指定比赛的榜单。
• 2.public void addOneSolution(String competitionId, String teamId, ProblemSolve problemSolve) 新增一条成功解题记录时，更新榜单。
• 3.public void addOneProblem(String competitionId, Problem problem) 新增一个题目的时候，更新逻辑。（可以在批量上题完毕后调用一次）

这里没有给出删除题目的方法，因为比赛过程中删除题目会有很多种不同的处理逻辑，需要自行去实现处理逻辑。

6.1 获取榜单方法 getAllRecord

总体思路就是，先从redis中获取，redis中有直接返回，没有就先判断一下是否是初始化榜单（没有任何成功解题记录就是初始化榜单），如果不是初始化（说明此时缓存失效，需要从数据库中查出），然后获得操作榜单的锁，开始从数据库中查出记录，生成整个榜单。

    public List<OneTotalRecord> getAllRecord(String competitionId){        // 1.从redis中查询，如果存在，直接反序列化成对象后返回        List<OneTotalRecord> redisRecords = getRecordsAllRedis(competitionId);        if(redisRecords != null){            return redisRecords;        }        // 如果redis中不存在        // 2.数据库查询出当前比赛是否有成功的解题记录 如果没有，进入初始化流程，初始化后直接返回        if(checkValidSolve(competitionId)){            return initRecord(competitionId);        }        lock.lock();        try{            // 某个线程获得锁时已经成功初始化