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良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，是一個(gè)優(yōu)秀程序員的必要素質(zhì)，反應(yīng)出了處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，也是面試過(guò)程中能否獲得相應(yīng)的職位和薪酬的關(guān)鍵。

最近在 https://www.educative.io/ 上看到一份介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教程：Grokking the System Design Interview[1]，里面有很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，如 Dropbox, Twitter, Facebook Messenger, Uber 等，教程是收費(fèi)的，質(zhì)量很高，學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕佳資料，該教程的中文資料很少，這里就將其中的核心內(nèi)容翻成中文與大家分享，如果需看英文原版，回復(fù)「系統(tǒng)設(shè)計(jì)」即可獲取。

許多軟件工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)面試(以下簡(jiǎn)稱 SDI)時(shí)遇到困難，主要有三個(gè)方面原因：

• SDI 具有非結(jié)構(gòu)化性質(zhì)，往往要求開(kāi)放式設(shè)計(jì)，很多問(wèn)題沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案。
• 他們?nèi)狈﹂_(kāi)發(fā)大型系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。
• 他們沒(méi)有為 SDI 做準(zhǔn)備。

像編碼面試一樣，沒(méi)有認(rèn)真準(zhǔn)備 SDI 的應(yīng)聘者，大部分表現(xiàn)不佳，尤其是在 Google，F(xiàn)acebook，Amazon，Microsoft 等頂尖公司的面試，如果表現(xiàn)不及平均水平的候選人，獲得獲得 offer 的機(jī)會(huì)非常渺茫。另一方面，良好的面試表現(xiàn)總是會(huì)帶來(lái)更好的回報(bào)，或者是更高的職位，或者是更高的薪水，因?yàn)檫@顯示了候選人處理復(fù)雜系統(tǒng)的能力。

接下來(lái)，我們將按以下步驟循序漸進(jìn)地解決多個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題：

第一步：需求澄清

在需求范圍內(nèi)提出一些問(wèn)題有助于澄清需求。設(shè)計(jì)問(wèn)題大多是開(kāi)放性的，并且沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案，這就是為什么要澄清一些具體需求?；ㄙM(fèi)足夠時(shí)間來(lái)定義系統(tǒng)最終目標(biāo)有助于在面試中獲得成功。另外，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的面試只有 35-40 分鐘的時(shí)間，我們應(yīng)該弄清楚哪些部分需要重點(diǎn)關(guān)注。

以設(shè)計(jì)一個(gè)類 Twitter 的服務(wù)為例，在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前應(yīng)先回答以下問(wèn)題：

• 我們服務(wù)的用戶能否發(fā)布推文并關(guān)注其他人?
• 我們是否還應(yīng)該設(shè)計(jì)來(lái)創(chuàng)建和顯示用戶的時(shí)間軸?
• 推文中是否包含照片和視頻?
• 我們是僅專注于后端還是前端?
• 用戶將能夠搜索推文嗎?
• 我們需要顯示熱門話題嗎?
• 是否有關(guān)于新(或重要)推文的推送通知?

這些問(wèn)題將決定最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)長(zhǎng)什么樣。

第二步：系統(tǒng)接口定義

定義系統(tǒng)期望的接口(API)不僅可以幫助建立預(yù)期的接口協(xié)議 ，也可以確保我們沒(méi)有弄錯(cuò)需求。比如類似 Twitter 的服務(wù)的接口可能是這樣的：

postTweet(user_id, tweet_data, tweet_location, user_location, timestamp, …)  
generateTimeline(user_id, current_time, user_location, …)  
markTweetFavorite(user_id, tweet_id, timestamp, …) 

第三步：資源預(yù)估

預(yù)估我們要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的規(guī)模是非常必要的，有助于我們后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)展、分區(qū)、負(fù)載平衡和緩存的設(shè)計(jì)。

• 系統(tǒng)預(yù)期的規(guī)模，例如，新推文的數(shù)量，推文的閱讀量，每秒產(chǎn)生的時(shí)間線?
• 我們需要多少存儲(chǔ)空間?如果用戶可以拍攝照片和視頻，又需要多少存儲(chǔ)空間。
• 我們期望多大的帶寬?這對(duì)于決定我們?nèi)绾喂芾砹髁亢推胶夥?wù)器之間的負(fù)載。

第四步：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型

早一點(diǎn)定義數(shù)據(jù)模型可以弄明白數(shù)據(jù)如何在不同組件之間進(jìn)行流轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)模型將指導(dǎo)數(shù)據(jù)分區(qū)和管理。設(shè)計(jì)者應(yīng)該識(shí)別系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)體，它們之間的交互方式以及 數(shù)據(jù)管理的各個(gè)方面，例如存儲(chǔ)、傳輸、加密等。以下是我們的類 Twitter 服務(wù)的一些實(shí)體：

• User：UserID, Name, Email, DoB, CreationData, LastLogin 等。
• Tweet：TweetID，Content,，TweetLocation，NumberOfLikes，TimeStamp等。
• UserFollowo：UserdID1，UserID2
• FavoriteTweets: UserID, TweetID, TimeStamp

我們應(yīng)該使用哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)?像 Cassandra 這樣的 NoSQL 是否最適合我們的需求，還是應(yīng)該使用類似于 MySQL 的解決方案?我們應(yīng)該使用哪種塊存儲(chǔ)來(lái)存儲(chǔ)照片和視頻?

第五步：高級(jí)設(shè)計(jì)

畫一個(gè)帶有 5-6 個(gè)方框的圖，代表我們系統(tǒng)的核心組件。我們應(yīng)該識(shí)別出足夠的組件來(lái)解決端到端的問(wèn)題，對(duì)于 Twitter 而言，我們將需要多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器來(lái)服務(wù)所有的讀/寫服務(wù)，并配置負(fù)載平衡器進(jìn)行流量分配。假如讀流量大于寫流量，我們可以使用單獨(dú)的服務(wù)器進(jìn)行處理這些情況，比如分配 10 臺(tái)服務(wù)器服務(wù)讀請(qǐng)求，2 臺(tái)服務(wù)器服務(wù)寫請(qǐng)求。在后端，我們需要一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)所有推文并支持大量讀取。我們還需要一個(gè)分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)照片和視頻。

第六步：詳細(xì)設(shè)計(jì)

深入挖掘兩個(gè)或三個(gè)組成部分;面試官的反饋意見(jiàn)引導(dǎo)我們進(jìn)一步討論。我們應(yīng)該能夠提出不同的方法，它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并說(shuō)明為什么我們會(huì)選擇另一種方法。請(qǐng)記住，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，唯一重要的是有限資源前提下怎么做出權(quán)衡。

• 由于我們將存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，因此如何將數(shù)據(jù)分區(qū)到分發(fā)到多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)?是否應(yīng)該嘗試將用戶的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)庫(kù)?它會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題?
• 如何處理發(fā)大量推文或關(guān)注很多人的熱門用戶?
• 由于用戶的時(shí)間軸將包含最新推文，為了獲取最新推文是否需要優(yōu)化數(shù)據(jù)的存取方式?
• 我們應(yīng)該在多少層引入緩存以加快處理速度?
• 哪些組件需要更好的負(fù)載平衡?

第七步：找出并解決瓶頸

找出盡可能多的瓶頸問(wèn)題，并提出緩解這些瓶頸的不同方法。比如：

• 我們的系統(tǒng)中是存在單點(diǎn)故障?應(yīng)該采取什么措施緩解這種情況?
• 我們是否有足夠的數(shù)據(jù)備份，在多少臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)的情況下仍可以為用戶提供服務(wù)?
• 類似的，我們是否有足夠數(shù)量的不同服務(wù)在運(yùn)行，即使一些服務(wù)有故障也不會(huì)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰?
• 我們?nèi)绾伪O(jiān)控我們的服務(wù)性能?關(guān)鍵時(shí)刻比如組件發(fā)生故障或性能下降時(shí)會(huì)收到報(bào)警嗎?

最后的話

簡(jiǎn)而言之，面試前有足夠的準(zhǔn)備是系統(tǒng)設(shè)計(jì)面試成功的關(guān)鍵，上述步驟可以指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)，涵蓋了的不同方面的面試問(wèn)題，后續(xù)的面試問(wèn)題，可以參考以上步驟來(lái)思考和回答。

參考資料

[1]Grokking the System Design Interview: https://www.educative.io/courses/grokking-the-system-design-interview

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