要在關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的面試中脫穎而出，最關(guān)鍵的方面之一是深入理解基本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，例如，負(fù)載平衡、緩存、分區(qū)、復(fù)制、數(shù)據(jù)庫(kù)和代理。

根據(jù)我自己的經(jīng)驗(yàn)，我確定了 16 個(gè)關(guān)鍵概念，它們可以幫助你提高解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的能力。

這些概念的范圍從理解 API 網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜性和掌握負(fù)載平衡技術(shù)到掌握 CDN 的重要性和理解緩存在現(xiàn)代分布式系統(tǒng)中的作用。閱讀完本文時(shí)，你將全面了解這些基本思想，并有信心在下一次面試中應(yīng)用它們。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)面試本質(zhì)上是非結(jié)構(gòu)化的。在面試過程中，很難跟蹤事情并確保你已經(jīng)觸及設(shè)計(jì)的所有基本方面。

為了簡(jiǎn)化這個(gè)過程，我開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主模板，可以幫助你回答任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)面試問題，深入了解任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能涉及的關(guān)鍵組件。

請(qǐng)牢記這個(gè)主模板，我們將討論 16 個(gè)基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念。

現(xiàn)在我們開始吧。

1.域名系統(tǒng)（DNS）

域名系統(tǒng) (DNS) 是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的基本組成部分，可將人類友好的域名轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 IP 地址。

它的功能類似于 Internet 電話簿，允許用戶通過鍵入易于記憶的域名（例如 www.google.com）而不是計(jì)算機(jī)用來相互識(shí)別的數(shù)字 IP 地址（例如“192.168.2.1”）來訪問網(wǎng)站和服務(wù)。

當(dāng)你在 Web 瀏覽器中輸入域名時(shí)，DNS 負(fù)責(zé)查找關(guān)聯(lián)的 IP 地址并將你的請(qǐng)求定向到正確的服務(wù)器。

該過程從你的計(jì)算機(jī)向遞歸解析器發(fā)送查詢開始，然后搜索一系列 DNS 服務(wù)器，從根服務(wù)器開始，然后是頂級(jí)域 (TLD) 服務(wù)器，最后是權(quán)威名稱服務(wù)器。

找到 IP 地址后，遞歸解析器會(huì)將其返回到你的計(jì)算機(jī)，讓你的瀏覽器與目標(biāo)服務(wù)器建立連接并訪問所需的內(nèi)容。

2.負(fù)載均衡器

負(fù)載均衡器是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或軟件，可在多個(gè)服務(wù)器之間分配傳入的網(wǎng)絡(luò)流量，以確保最佳的資源利用率、減少延遲并保持高可用性。

它在擴(kuò)展應(yīng)用程序和有效管理服務(wù)器工作負(fù)載方面起著至關(guān)重要的作用，尤其是在流量突然激增或服務(wù)器之間請(qǐng)求分布不均的情況下。

負(fù)載均衡器使用不同的算法來確定如何分配傳入流量。

常見的算法包括：

• 循環(huán)：請(qǐng)求以循環(huán)方式按順序均勻分布在所有可用服務(wù)器上。
• 最少連接：負(fù)載均衡器將請(qǐng)求分配給活動(dòng)連接最少的服務(wù)器，優(yōu)先處理不太繁忙的服務(wù)器。
• IP 哈希：對(duì)客戶端的 IP 地址進(jìn)行哈希處理，結(jié)果值用于確定應(yīng)將請(qǐng)求定向到哪個(gè)服務(wù)器。此方法可確保特定客戶端的請(qǐng)求始終路由到同一服務(wù)器，從而有助于保持會(huì)話持久性。

3.API網(wǎng)關(guān)

API 網(wǎng)關(guān)是一種服務(wù)器或服務(wù)，充當(dāng)外部客戶端與應(yīng)用程序的內(nèi)部微服務(wù)或基于 API 的后端服務(wù)之間的中介。它是現(xiàn)代架構(gòu)中的一個(gè)重要組件，尤其是在基于微服務(wù)的系統(tǒng)中，它簡(jiǎn)化了通信過程并為客戶端提供了訪問各種服務(wù)的單一入口點(diǎn)。

API網(wǎng)關(guān)的主要功能包括：

• 請(qǐng)求路由：它根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則和配置，將來自客戶端的傳入 API 請(qǐng)求定向到適當(dāng)?shù)暮蠖朔?wù)或微服務(wù)。
• 身份驗(yàn)證和授權(quán)：API網(wǎng)關(guān)可以處理用戶身份驗(yàn)證和授權(quán)，確保只有授權(quán)的客戶端才能訪問服務(wù)。它可以在將請(qǐng)求路由到后端服務(wù)之前驗(yàn)證 API 密鑰、令牌或其他憑據(jù)。
• 速率限制和節(jié)流：為了保護(hù)后端服務(wù)免受過度負(fù)載或?yàn)E用，API 網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)預(yù)定義的策略強(qiáng)制執(zhí)行速率限制或節(jié)流來自客戶端的請(qǐng)求。
• 緩存：為了減少延遲和后端負(fù)載，API 網(wǎng)關(guān)可以緩存常用的響應(yīng)，直接將它們提供給客戶端，而無需查詢后端服務(wù)。
• 請(qǐng)求和響應(yīng)轉(zhuǎn)換：API 網(wǎng)關(guān)可以修改請(qǐng)求和響應(yīng)，例如轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、添加或刪除標(biāo)頭或修改查詢參數(shù)，以確?？蛻舳撕头?wù)之間的兼容性。

4.CDN

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò) (CDN) 是一種分布式服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，用于存儲(chǔ)圖像、視頻、樣式表和腳本等內(nèi)容并將其分發(fā)給地理位置較近的用戶。CDN 旨在提高向最終用戶交付內(nèi)容的性能、速度和可靠性，無論他們相對(duì)于原始服務(wù)器的位置如何。

CDN 的工作原理如下：

• 當(dāng)用戶從網(wǎng)站或應(yīng)用程序請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)，請(qǐng)求會(huì)被定向到最近的 CDN 服務(wù)器，也稱為邊緣服務(wù)器。
• 如果邊緣服務(wù)器緩存了請(qǐng)求的內(nèi)容，它會(huì)直接將內(nèi)容提供給用戶。這減少了延遲并改善了用戶體驗(yàn)，因?yàn)閮?nèi)容傳輸?shù)木嚯x更短。
• 如果內(nèi)容未緩存在邊緣服務(wù)器上，則 CDN 從源服務(wù)器或附近的另一個(gè) CDN 服務(wù)器檢索它。獲取內(nèi)容后，會(huì)將其緩存在邊緣服務(wù)器上并提供給用戶。
• 為確保內(nèi)容保持最新，CDN 會(huì)定期檢查源服務(wù)器的更改并相應(yīng)地更新其緩存。

5. 正向代理與反向代理

轉(zhuǎn)發(fā)代理，也稱為“代理服務(wù)器”或簡(jiǎn)稱為“代理”，是位于一臺(tái)或多臺(tái)客戶端計(jì)算機(jī)前面并充當(dāng)客戶端和 Internet 之間的中介的服務(wù)器。

當(dāng)客戶端機(jī)器向 Internet 上的資源發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，該請(qǐng)求首先被發(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)代理。然后，轉(zhuǎn)發(fā)代理代表客戶端將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到 Internet，并將響應(yīng)返回給客戶端。

反向代理是位于一個(gè)或多個(gè) Web 服務(wù)器之前的服務(wù)器，充當(dāng) Web 服務(wù)器和 Internet 之間的中介。

當(dāng)客戶端向 Internet 上的資源發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，該請(qǐng)求首先被發(fā)送到反向代理。

然后反向代理將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到其中一個(gè) Web 服務(wù)器，該服務(wù)器將響應(yīng)返回給反向代理。然后反向代理將響應(yīng)返回給客戶端。

6.緩存

緩存是位于應(yīng)用程序和原始數(shù)據(jù)源（例如數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)或遠(yuǎn)程 Web 服務(wù)）之間的高速存儲(chǔ)層。

當(dāng)應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，首先在緩存中檢查數(shù)據(jù)。如果在緩存中找到數(shù)據(jù)，則將其返回給應(yīng)用程序。

如果在緩存中找不到數(shù)據(jù)，則從其原始來源檢索數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在緩存中以備將來使用，然后返回給應(yīng)用程序。

在分布式系統(tǒng)中，緩存可以在多個(gè)地方完成，例如，客戶端、DNS、CDN、負(fù)載均衡器、API 網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等。

7.數(shù)據(jù)分區(qū)

在數(shù)據(jù)庫(kù)中，水平分區(qū)（也稱為分片）涉及將表的行劃分為更小的表并將它們存儲(chǔ)在不同的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例上。這樣做是為了在多個(gè)服務(wù)器之間分配數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)載并提高性能。

另一方面，垂直分區(qū)涉及將表的列劃分為單獨(dú)的表。這樣做是為了減少表中的列數(shù)并提高僅訪問少量列的查詢的性能。

8. 數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制

數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制是一種用于跨不同服務(wù)器或位置維護(hù)同一數(shù)據(jù)庫(kù)的多個(gè)副本的技術(shù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制的主要目的是提高數(shù)據(jù)可用性、冗余性和容錯(cuò)性，確保系統(tǒng)即使在硬件故障或其他問題的情況下也能繼續(xù)運(yùn)行。

在復(fù)制數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置中，一臺(tái)服務(wù)器充當(dāng)主（或主）數(shù)據(jù)庫(kù)，而其他服務(wù)器充當(dāng)副本（或從屬）。該過程涉及在主數(shù)據(jù)庫(kù)和副本之間同步數(shù)據(jù)，因此它們都具有相同的最新信息。

數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制有幾個(gè)好處，包括：

• 改進(jìn)的性能：通過在多個(gè)副本之間分配讀取查詢，可以減少主數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)載并縮短查詢響應(yīng)時(shí)間。
• 高可用性：如果主數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生故障或停機(jī)，副本可以繼續(xù)提供數(shù)據(jù)，確保對(duì)應(yīng)用程序的訪問不間斷。
• 增強(qiáng)的數(shù)據(jù)保護(hù)：在不同位置擁有多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)副本有助于防止由于硬件故障或其他災(zāi)難導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。
• 負(fù)載平衡：副本可以處理讀取查詢，這樣可以更好地分配負(fù)載并減少主數(shù)據(jù)庫(kù)的整體壓力。

9.分布式消息系統(tǒng)

分布式消息傳遞系統(tǒng)支持以可靠、可擴(kuò)展和容錯(cuò)的方式在多個(gè)可能在地理上分散的應(yīng)用程序、服務(wù)或組件之間交換消息。

它們通過解耦發(fā)送方和接收方組件來促進(jìn)通信，使它們能夠獨(dú)立發(fā)展和運(yùn)行。分布式消息系統(tǒng)在大規(guī)?；驈?fù)雜系統(tǒng)中特別有用，例如微服務(wù)架構(gòu)或分布式計(jì)算環(huán)境中的系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的示例有 Apache Kafka 和 RabbitMQ。

10.微服務(wù)

微服務(wù)是一種架構(gòu)風(fēng)格，其中應(yīng)用程序被構(gòu)造為小型、松散耦合且可獨(dú)立部署的服務(wù)的集合。

每個(gè)微服務(wù)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序中的特定功能或域，并通過定義明確的 API 與其他微服務(wù)進(jìn)行通信。

這種方法與傳統(tǒng)的單體架構(gòu)不同，在傳統(tǒng)單體架構(gòu)中，應(yīng)用程序被構(gòu)建為一個(gè)緊密耦合的單元。

微服務(wù)的主要特點(diǎn)是：

• 單一職責(zé)：每個(gè)微服務(wù)都專注于特定的功能或領(lǐng)域，遵循單一職責(zé)原則。這使服務(wù)更易于理解、開發(fā)和維護(hù)。
• 獨(dú)立性：微服務(wù)可以相互獨(dú)立地開發(fā)、部署和擴(kuò)展。這可以提高開發(fā)過程的靈活性和敏捷性，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)可以同時(shí)處理不同的服務(wù)，而不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。
• 去中心化：微服務(wù)通常是去中心化的，每個(gè)服務(wù)都擁有自己的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯。這鼓勵(lì)關(guān)注點(diǎn)分離，并使團(tuán)隊(duì)能夠做出決策并選擇最適合其特定需求的技術(shù)。
• 通信：微服務(wù)使用輕量級(jí)協(xié)議（例如 HTTP/REST、gRPC 或消息隊(duì)列）相互通信。這促進(jìn)了互操作性，并使集成新服務(wù)或替換現(xiàn)有服務(wù)變得更加容易。
• 容錯(cuò)性：由于微服務(wù)是獨(dú)立的，一個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障并不一定會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。這有助于提高應(yīng)用程序的整體彈性。

11. NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)

NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)或“Not Only SQL”數(shù)據(jù)庫(kù)是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在存儲(chǔ)、管理和檢索非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

它們?yōu)橐蕾嚱Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和預(yù)定義模式的傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)提供了替代方案。NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)因其靈活性、可擴(kuò)展性和處理大量數(shù)據(jù)的能力而變得流行，使它們非常適合現(xiàn)代應(yīng)用程序、大數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)分析。

NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)可以分為四種主要類型：

• 基于文檔：這些數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在類似文檔的結(jié)構(gòu)中，例如 JSON 或 BSON。
  每個(gè)文檔都是獨(dú)立的，可以有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使它們適合處理異構(gòu)數(shù)據(jù)?；谖臋n的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的示例包括 MongoDB 和 Couchbase。
• 鍵值對(duì)：這些數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為鍵值對(duì)，其中鍵充當(dāng)唯一標(biāo)識(shí)符，值保存關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。
  鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于簡(jiǎn)單的讀寫操作非常高效，并且可以輕松地進(jìn)行分區(qū)和水平擴(kuò)展。鍵值 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的示例包括 Redis 和 Amazon DynamoDB。
• 列族：這些數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在列族中，列族是相關(guān)列的組。它們旨在處理寫入繁重的工作負(fù)載，并且對(duì)于使用已知行鍵和列鍵查詢數(shù)據(jù)非常高效。列族 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的示例包括 Apache Cassandra 和 HBase。
• 基于圖形：這些數(shù)據(jù)庫(kù)旨在存儲(chǔ)和查詢具有復(fù)雜關(guān)系和互連結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，例如社交網(wǎng)絡(luò)或推薦系統(tǒng)。圖數(shù)據(jù)庫(kù)使用節(jié)點(diǎn)、邊和屬性來表示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而更容易執(zhí)行復(fù)雜的遍歷和基于關(guān)系的查詢。基于圖形的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的示例包括 Neo4j 和 Amazon Neptune。

12.數(shù)據(jù)庫(kù)索引

數(shù)據(jù)庫(kù)索引是提高數(shù)據(jù)庫(kù)查詢操作速度和效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它們的工作方式類似于書中的索引，允許數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) (DBMS) 快速定位與特定值或值集關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，而無需搜索表中的每一行。

通過為所需數(shù)據(jù)提供更直接的路徑，索引可以顯著減少?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)檢索信息所需的時(shí)間。

索引通常建立在數(shù)據(jù)庫(kù)表的一個(gè)或多個(gè)列上。最常見的索引類型是 B 樹索引，它以分層樹結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，允許快速搜索、插入和刪除操作。

還有其他類型的索引，例如位圖索引和哈希索引，每種索引都有其特定的用例和優(yōu)勢(shì)。

雖然索引可以顯著提高查詢性能，但它們也有一些折衷：

• 存儲(chǔ)空間：索引會(huì)消耗額外的存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗鼈儠?huì)在原始表數(shù)據(jù)旁邊創(chuàng)建和維護(hù)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 寫入性能：當(dāng)在表中插入、更新或刪除數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)聯(lián)的索引也必須更新，這會(huì)減慢寫入操作。

13.分布式文件系統(tǒng)

分布式文件系統(tǒng)是存儲(chǔ)解決方案，旨在管理和提供對(duì)通常分布在網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)或機(jī)器的文件和目錄的訪問。

它們使用戶和應(yīng)用程序能夠像存儲(chǔ)在本地文件系統(tǒng)上一樣訪問和操作文件，即使實(shí)際文件可能物理存儲(chǔ)在多個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器上。

分布式文件系統(tǒng)通常用于大規(guī)?；蚍植际接?jì)算環(huán)境，以提供容錯(cuò)、高可用性和改進(jìn)的性能。

14.通知系統(tǒng)

這些用于向用戶發(fā)送通知或警報(bào)，例如電子郵件、推送通知或短信。

15. 全文搜索

全文搜索使用戶能夠在應(yīng)用程序或網(wǎng)站中搜索特定的單詞或短語。當(dāng)用戶查詢時(shí)，應(yīng)用程序或網(wǎng)站會(huì)返回最相關(guān)的結(jié)果。

為了快速有效地執(zhí)行此操作，全文搜索依賴于倒排索引，這是一種將單詞或短語映射到它們出現(xiàn)的文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

此類系統(tǒng)的一個(gè)示例是 Elastic Search。

16.分布式協(xié)調(diào)服務(wù)

分布式協(xié)調(diào)服務(wù)是旨在以可靠、高效和容錯(cuò)的方式管理和協(xié)調(diào)分布式應(yīng)用程序、服務(wù)或節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)的系統(tǒng)。

它們有助于維護(hù)一致性、處理分布式同步以及管理分布式環(huán)境中各種組件的配置和狀態(tài)。

分布式協(xié)調(diào)服務(wù)在大規(guī)?；驈?fù)雜系統(tǒng)中特別有用，例如微服務(wù)架構(gòu)、分布式計(jì)算環(huán)境或集群數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)。

此類服務(wù)的示例有 Apache ZooKeeper、etcd、Consul。

結(jié)論

通過使用上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念和模板，最大限度地提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)面試的機(jī)會(huì)。

希望今天這篇文章內(nèi)容對(duì)你有所幫助，感謝你的閱讀。