作者 | NK

策劃 | 言征 

2005 年 2 月， 美國加利福尼亞州。全球知名的在線支付服務(wù)公司PayPal已經(jīng)走過 6 年零 2 個月的時間，3 名早期員工就像發(fā)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)世界的流量密碼一樣，開始尋找屬于他們的機會。

最后，他們希望建立一個分享視頻的平臺。后來這個在車庫里誕生的平臺，就是大名鼎鼎的YouTube。

最初，他們的財力有限，只能通過信用卡債務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施借款為 YouTube 籌集資金。但財務(wù)上的緊張，也倒逼著他們打造出一套出色的可擴展性技術(shù)。

第二年，他們平臺的視頻日播放量就達到了 1 億。更令人出乎意料的是，他們只用了 9 名工程師就做到了這一點。 

YouTube 是如何做到的？下面為大家一一揭開當(dāng)年的設(shè)計要點。（Ps：乍看起來，樸實無華，大巧不工。）

1、神奇飛輪

他們采用一種“飛輪”的方法去收集和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便于可擴展性的實現(xiàn)。他們的工作流程是一個不斷循環(huán)的過程：識別瓶頸→修復(fù)瓶頸→喝水→睡覺。這種方法好處在于避免了對高端硬件的需求（不用大規(guī)模部署），降低了硬件成本。

可擴展性循環(huán)（Scalability loop）

2、看似無聊、卻大巧不工的技術(shù)棧

他們讓技術(shù)堆棧保持簡單，并使用經(jīng)過驗證的技術(shù)。他們的技術(shù)堆棧絕對讓你想象不到：

YouTube 技術(shù)棧

• MySQL 存儲元數(shù)據(jù)：視頻標(biāo)題、標(biāo)簽、描述和用戶數(shù)據(jù)。因為修復(fù) MySQL 中的問題很容易。 
• Lighttpd Web 服務(wù)器提供視頻服務(wù)。 
• 使用Linux作為操作系統(tǒng)。他們使用 Linux 工具來檢查下列系統(tǒng)行為：strace、ssh、rsync、vmstat 和 tcpdump。 
• 應(yīng)用程序服務(wù)器上的 Python。因為它提供了許多可重用的庫，而且他們不想重新發(fā)明輪子。換句話說，Python 允許快速靈活的開發(fā)。根據(jù)他們的測量，Python 從來都不是瓶頸。值得注意的是，他們使用 Python 到 C 的編譯器和 C 語言擴展來運行 CPU 密集型任務(wù)。

3、保持簡單

他們認(rèn)為軟件架構(gòu)是可擴展性的根源。他們沒有盲目追求“流行語”去擴大規(guī)模。因此，他們保持架構(gòu)簡單——使代碼審查更容易。這使他們能夠快速重新架構(gòu)以滿足不斷變化的需求。例如，他們從約會網(wǎng)站轉(zhuǎn)向視頻共享網(wǎng)站。

此外，他們還保持網(wǎng)絡(luò)路徑簡單。因為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有可擴展性限制。

硬件成本

他們還使用了商品硬件。它使他們能夠減少功耗和維護費用，并保持較低的成本。

此外，他們使規(guī)模感知代碼與應(yīng)用程序開發(fā)相對獨立。

4、選擇你的主戰(zhàn)場

他們將許多不重要的問題給外包出去了。因為他們想專注于重要的事情。他們沒有時間或資源來構(gòu)建自己的基礎(chǔ)設(shè)施來提供流行視頻。于是，他們把熱門視頻放到了第三方CDN上。好處：

• 低延遲。由于用戶的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)較少 ；
• 高性能。因為它提供的是內(nèi)存中的視頻； 
• 高可用性。因為自動復(fù)制。

他們從同地數(shù)據(jù)中心提供受歡迎度稍低些的視頻。并采用軟件RAID，通過多磁盤并行訪問來提高性能。還調(diào)整了他們的服務(wù)器以防止緩存抖動。

他們將基礎(chǔ)設(shè)施保留在同一地點的數(shù)據(jù)中心，有兩點原因。其一，可以輕松調(diào)整服務(wù)器以滿足其需求。其二，方便自己的合同談判。

選擇你的主戰(zhàn)場；外包問題以釋放資源

每個視頻有 4 個縮略圖。因此，他們在服務(wù)小對象時面臨著問題：大量磁盤查找和文件系統(tǒng)限制。因此，他們將縮略圖放入 BigTable 中 。它是一種分布式數(shù)據(jù)存儲，具有許多優(yōu)點：通過對文件進行聚類來避免小文件問題、提高性能、多級緩存低延遲、易于配置。

他們還偽造數(shù)據(jù)以防止昂貴的交易費用。例如，他們偽造視頻觀看次數(shù)并異步更新計數(shù)器。當(dāng)今近似正確性的一種流行技術(shù)是：布隆過濾器，它是一種概率數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

5、可擴展性三大支柱

YouTube 依賴可擴展性的三大支柱：無狀態(tài)、復(fù)制和分區(qū)。

可擴展性的 3 個支柱

他們保持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器無狀態(tài)（stateless），并通過復(fù)制進行擴展。

他們復(fù)制replicated數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以實現(xiàn)讀取可擴展性和高可用性。并對副本之間的流量進行負(fù)載平衡。但這種方法引起了問題：復(fù)制滯后和寫入可擴展性問題。

復(fù)制與分區(qū)

因此，他們對數(shù)據(jù)庫進行了分區(qū)，以提高寫入可擴展性、緩存局部性和性能。partitioned它還將硬件成本降低了 30%。

此外，他們還研究了數(shù)據(jù)訪問模式來確定分區(qū)級別。例如，他們研究了流行的查詢、連接和事務(wù)一致性，并選擇用戶作為分區(qū)級別。

6、扎實的工程團隊

知識豐富的團隊是可擴展性的重要資產(chǎn)。

跨學(xué)科團隊

他們保持較小的團隊規(guī)模t以改善溝通：僅 9 名工程師。他們的團隊非常擅長跨學(xué)科技能。

7、不要重復(fù)自己的話

他們使用緩存cache來防止重復(fù)昂貴的操作。它使他們能夠擴展瀏覽量。

多級緩存可擴展

他們還在多個級別實現(xiàn)了緩存 - 并且減少了延遲。

8、排序：重要的指標(biāo)要優(yōu)先

對重要流量進行排名；二八原則（帕累托原則）

他們將視頻觀看流量優(yōu)先，排在其他所有流量之上。因此，他們?yōu)橐曨l觀看流量保留了專用資源集群。這一點提供了高可用性。

9、防止“雷群”

如果許多并發(fā)客戶端查詢服務(wù)器，就會出現(xiàn)雷群問題。它會降低性能。

雷群（The Thundering Herd）問題

他們使用抖動來防止雷群問題。例如，他們?yōu)榱餍幸曨l的緩存過期添加了抖動。

10、打持久戰(zhàn)

他們專注于宏觀層面的事物：算法和可擴展性。他們進行了快速的黑客攻擊，以贏得更多時間來構(gòu)建長期解決方案。例如，使用 Python 消除不良 API 以防止短期問題。

冒險與回報

他們?nèi)萑探M件中的缺陷。當(dāng)遇到瓶頸時：他們要么重寫組件，要么刪除它。

他們用效率換取可擴展性。有四個例子：

• 他們選擇了 Python 而不是 C； 
• 他們在組件之間保持清晰的界限以進行橫向擴展。和容忍的延遲；
• 他們優(yōu)化了軟件，使其足夠快。但并不癡迷于機器效率； 
• 他們根據(jù)帶寬可用性從服務(wù)器位置提供視頻。并且不基于延遲。

11、適應(yīng)性進化

他們調(diào)整了系統(tǒng)以滿足他們的需求。例子：

• 關(guān)鍵組件使用RPC而不是 HTTP REST，這提高了性能； 
• 自定義BSON作為數(shù)據(jù)序列化格式。它提供了高性能；
• 應(yīng)用程序某些部分的最終一致性以實現(xiàn)可擴展性。例如，用戶評論中的“讀你所寫”的一致性模型 ；
• 學(xué)習(xí) Python 是為了防止常見的陷阱。當(dāng)然，還有分析需求的原因；
• 定制開源軟件；
• 優(yōu)化數(shù)據(jù)庫查詢； 
• 使非關(guān)鍵實時任務(wù)異步。

編碼原則

他們沒有浪費時間編寫代碼來限制人們。相反，采用了出色的工程實踐- 編碼約定來改進其代碼結(jié)構(gòu)。

——后記—— 

2006 年 11 月，谷歌以 16.5 億美元的價格收購了 YouTube，并把它當(dāng)做一個子公司來運營。時至今日，它依然是視頻分享市場的領(lǐng)導(dǎo)者，每天有 50 億次視頻瀏覽量。

據(jù)《福布斯》報道，YouTube 創(chuàng)始人的凈資產(chǎn)超過 1 億美元。YouTube創(chuàng)立僅 20 個月便成視頻搜尋界的龍頭，可謂是締造了一個硅谷奇跡。

參考鏈接：https://newsletter.systemdesign.one/p/youtube-scalability