通常，軟件工程師在處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)遇到困難的主要原因有三個(gè)：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)往往沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)，工程師需要處理一個(gè)開(kāi)放性的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這些問(wèn)題并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。例如，在開(kāi)發(fā)一個(gè)新的電商平臺(tái)時(shí)，可能需要從零開(kāi)始設(shè)計(jì)整個(gè)后臺(tái)架構(gòu)，而這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有唯一正確的答案。工程師在開(kāi)發(fā)復(fù)雜和大規(guī)模系統(tǒng)方面的經(jīng)驗(yàn)不足。例如，他們可能曾經(jīng)在小型項(xiàng)目中充當(dāng)過(guò)主要的開(kāi)發(fā)者，但在處理一個(gè)全球分布式的大型數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí)，他們可能會(huì)感到力不從心。工程師沒(méi)有花足夠的時(shí)間來(lái)研究和準(zhǔn)備如何解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。例如，他們可能會(huì)對(duì)編碼技術(shù)有深入的了解，但卻沒(méi)有投入足夠的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)和理解大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和模式。

在阿里、騰訊、百度和字節(jié)這樣的知名公司，如果一個(gè)工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的表現(xiàn)不超過(guò)平均水平，他可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在項(xiàng)目中的影響力有限。相反，表現(xiàn)良好的工程師總會(huì)得到更多的機(jī)會(huì)和認(rèn)可，因?yàn)樗麄冋故境隽颂幚韽?fù)雜系統(tǒng)的能力。

(資料圖片僅供參考)

在這個(gè)課程中，我們將通過(guò)實(shí)際例子，按步驟解決多個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先，讓我們來(lái)看看這些步驟：

步驟1：明確需求

我們?cè)谠噲D解決問(wèn)題時(shí)，首先要做的是詢問(wèn)有關(guān)問(wèn)題準(zhǔn)確范圍的問(wèn)題。設(shè)計(jì)問(wèn)題通常是開(kāi)放性的，并且沒(méi)有唯一正確的答案。這就是為什么在項(xiàng)目初期澄清模糊性至關(guān)重要?；ㄗ銐驎r(shí)間定義系統(tǒng)終極目標(biāo)的參與者，總是更有可能在項(xiàng)目中取得成功。此外，由于我們只有35-40分鐘的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)（可能）大型的系統(tǒng)，我們應(yīng)該明確我們將關(guān)注系統(tǒng)的哪些部分。

讓我們用設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)似微博的服務(wù)的實(shí)際例子來(lái)擴(kuò)展這一點(diǎn)。在進(jìn)行下一步之前，設(shè)計(jì)微博應(yīng)該回答的一些問(wèn)題包括：

我們的服務(wù)用戶能夠發(fā)布微博并關(guān)注其他人嗎？我們是否也需要設(shè)計(jì)創(chuàng)建和展示用戶的時(shí)間線？微博中是否會(huì)包含照片和視頻？我們是否只關(guān)注后端，還是也要開(kāi)發(fā)前端？用戶能否搜索微博？我們需要展示熱門(mén)趨勢(shì)話題嗎？是否會(huì)有新的（或重要的）微博的推送通知？

所有這些問(wèn)題都將決定我們的最終設(shè)計(jì)會(huì)是什么樣子。

步驟2：規(guī)模預(yù)估

對(duì)我們即將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行預(yù)估總是一個(gè)好的做法。這將有助于我們后續(xù)關(guān)注系統(tǒng)的擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)分區(qū)、負(fù)載均衡以及緩存策略。

系統(tǒng)預(yù)期的規(guī)模是什么（例如，新的微博數(shù)量，微博的閱讀數(shù)量，每秒生成時(shí)間線的次數(shù)等）？ 我們需要多少存儲(chǔ)空間？如果用戶可以在他們的微博中上傳照片和視頻，我們的存儲(chǔ)需求將有所不同。 我們預(yù)計(jì)將使用多少網(wǎng)絡(luò)帶寬？這將對(duì)我們?nèi)绾喂芾砹髁俊⒃诜?wù)器之間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡至關(guān)重要。

步驟3：定義系統(tǒng)接口

需要明確系統(tǒng)所需的API。這將明確系統(tǒng)預(yù)期的具體協(xié)議，并確保我們對(duì)需求的理解沒(méi)有出錯(cuò)。對(duì)于微博服務(wù)，API示例將會(huì)是：

postTweet(user_id, tweet_data, tweet_location, user_location, timestamp, …)

generateTimeline(user_id, current_time, user_location, …)

markTweetFavorite(user_id, tweet_id, timestamp, …)

步驟4：定義數(shù)據(jù)模型

在項(xiàng)目初期確定數(shù)據(jù)模型能夠明確數(shù)據(jù)如何在各個(gè)系統(tǒng)組件之間流動(dòng)。隨后，它將成為數(shù)據(jù)分區(qū)和管理的指導(dǎo)。參與者需要確定各種系統(tǒng)實(shí)體，它們?nèi)绾蜗嗷ソ换?，以及?shù)據(jù)管理的各個(gè)方面，例如存儲(chǔ)、傳輸、加密等。對(duì)于微博系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以下是一些實(shí)體：

用戶：UserID, Name, Email, DoB, CreationDate, LastLogin等。微博：TweetID, Content, TweetLocation, NumberOfLikes, TimeStamp等。用戶關(guān)注：UserID1, UserID2。喜歡的微博：UserID, TweetID, TimeStamp。

我們應(yīng)該選擇哪種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)？我們是否應(yīng)該選擇類(lèi)似Cassandra這樣的NoSQL來(lái)滿足我們的需求，或者我們應(yīng)該使用像MySQL這樣的解決方案？存儲(chǔ)照片和視頻應(yīng)該使用哪種類(lèi)型的塊存儲(chǔ)？

步驟5：高級(jí)設(shè)計(jì)

繪制一個(gè)包含5-6個(gè)表示我們系統(tǒng)核心組件的方框圖。我們需要確定足夠的組件，以便端到端地解決實(shí)際問(wèn)題。

對(duì)于微博，從高層次來(lái)看，我們需要多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器來(lái)處理所有讀寫(xiě)請(qǐng)求，同時(shí)在它們前面使用負(fù)載均衡器進(jìn)行流量分配。如果我們預(yù)測(cè)讀取流量（相比寫(xiě)入）會(huì)較大，我們可以決定使用單獨(dú)的服務(wù)器來(lái)處理這些情況。在后端，我們需要一個(gè)能夠存儲(chǔ)所有微博并支持大量讀取的高效數(shù)據(jù)庫(kù)。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。

步驟6：詳細(xì)設(shè)計(jì)

深入研究?jī)傻饺齻€(gè)主要組件；團(tuán)隊(duì)成員的反饋應(yīng)始終指導(dǎo)我們，系統(tǒng)的哪些部分需要進(jìn)一步討論。我們應(yīng)該提出不同的方法，它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并解釋我們?yōu)楹螘?huì)偏好一種方法而非另一種。記住，沒(méi)有唯一的答案；最重要的是在保持系統(tǒng)約束的同時(shí)，權(quán)衡不同選項(xiàng)之間的利弊。

由于我們將存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，我們應(yīng)該如何對(duì)我們的數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，以將其分布到多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)？我們是否應(yīng)該嘗試將用戶的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中？這會(huì)引起什么問(wèn)題？ 我們將如何處理那些頻繁發(fā)微博或者關(guān)注很多人的活躍用戶？ 由于用戶的時(shí)間線將包含最新的（和相關(guān)的）微博，我們是否應(yīng)嘗試以優(yōu)化掃描最新微博的方式來(lái)存儲(chǔ)我們的數(shù)據(jù)？ 我們?cè)谀膫€(gè)層次以及何時(shí)引入緩存以提速？ 哪些組件需要更好的負(fù)載均衡？

步驟7：識(shí)別和解決瓶頸

嘗試討論盡可能多的瓶頸，以及緩解這些瓶頸的不同方法。

我們的系統(tǒng)中有沒(méi)有任何單點(diǎn)故障？我們正在采取什么措施來(lái)減輕它？ 我們是否擁有足夠的數(shù)據(jù)副本，以便在失去一部分服務(wù)器的情況下，仍然能夠?yàn)橛脩籼峁┓?wù)？ 同樣，我們是否有足夠的不同服務(wù)的副本在運(yùn)行，以便幾個(gè)失敗不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)完全停機(jī)？ 我們?nèi)绾伪O(jiān)控我們服務(wù)的性能？當(dāng)關(guān)鍵組件失效或性能下降時(shí)，我們是否會(huì)得到警報(bào)？

總結(jié)

簡(jiǎn)而言之，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的準(zhǔn)備和組織是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。上述步驟應(yīng)該指導(dǎo)你在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)保持正確的方向，并覆蓋所有不同的方面。

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