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System Design

David Liu4/3/26About 6 min

System Design

Scalability, Tradeoff

参考文档

koala bear 博客

DDIA (Designing Data-Intensive Application)

  • Reliability
  • Scalability
  • Maintainability

Tradeoff

  • Tradeoff 是什么：权衡，面试官最看重
  • 什么叫 SOA (Service-Oriented Architecture)
  • 什么是 Pull Model 和什么是 Push Model
  • 数据存储系统有哪些，什么样的数据适合存在什么样的数据存储系统中
  • 什么是异步任务和消息队列 (Message Queue)
  • 什么是数据的可持久化 (Persistent)
  • 什么是去标准化 (Denormalize)
  • 什么是惊群效应 (Thundering Herd)
  • 有哪些与 News Feed 类似的系统设计问题?
  • RESTful vs RPC

问题形式

  • 设计 xx 系统
    • 设计微博 Design Twitter
    • 设计人人 Design Facebook
    • 设计滴滴 Design Uber
    • 设计微信 Design Whatsapp
    • 设计点评
    • 设计短链系统
    • 设计 NoSQL 数据库
  • 设计 xx 系统中的 xx 功能
    • 设计一个功能实现对用户访问频率的限制
      • memcached
    • 设计一个功能实现统计某个具体事件历史发生次数：
      • 监控设计
    • 设计删除一个 Tweet 的功能
    • 设计邮件系统中将所有邮件标记为可读的功能

OOD vs SD

形式上

OOD 是微观设计，手把手 Coding

  • 游戏设计
  • 电梯设计

SD 是高屋建瓴宏观的设计，Backend design

  • 短网址系统设计
  • 新鲜事系统设计

知识点上

  • OOD: Class, Object, Method, Inheritance, Interface
  • SD: Database, Schema, SQL, NoSQL, File System, Distributed System, Latency, Scalability, Master Slave, Load Balancer, Web Server, Message Queue, Sharing, Consistent Hashing, QPS, ...

评分标准

避免只讲关键词

  • 可行解 Work Solution 25%

  • 特定问题 Special Case 20%

    • 通常作为完成可行解之后的 followup

  • 分析能力 Analysis 25%

    • 讨论情况，什么情况考虑，什么情况不考虑

  • 权衡 Tradeoff 15%

    • 什么情况下 A 好，什么情况下 B 好

  • 知识储备 Knowledge Base 15%

4S 分析法

Work Solution, NOT Perfect Solution

  • Scenario 场景：需要设计哪些功能，设计得多牛

    • Ask/ Features/ QPS/ DAU/ Interfaces(APIs)

  • Service 服务：将大系统拆分为小服务

    • Split/ Application/ Module / Service

  • Storage 存储：数据如何存储与访问

    • Schema/ Data/ SQL/ NoSQL/ File System (S3)

  • Scale 升级：解决缺陷，处理可能遇到的问题

    • Sharding/ Optimize/ Special Case

Scenario 场景

需要设计哪些功能，设计得多牛

  • Ask 问面试官

    • 需要承受多大的访问量
      • DAU
      • MAU ~ 2 * DAU
    • 需要设计哪些功能（也可以自己想）
      1. Enumerate: 把系统的功能一个个罗列出来
      2. Sort: 选出核心功能
        1. Post a tweet
        2. Feed

  • Analysis & Predict 分析

    重要的是计算过程，而不是计算结果

    • 并发用户 Concurrent User
      • 日活跃 * 每个用户平均请求次数 / 一天多少秒 =
      • 峰值 Peak = Average Concurrent User * 3
      • 快速增长 Fast Growing
    • 读频率 Read QPS
    • 写频率 Write QPS

分析出 QPS 有什么用？

  • QPS = 100
    • 用你的笔记本做 Web 服务器即可
  • QPS = 1k
    • 一台好一点的 服务器
    • 需要考虑 Single Point Failure
  • QPS = 1m
    • 需要 1000 台 Web 服务器的集群
    • 需要考虑如何 Maintainance (Avalability)

QPS 和 Web Server / Database 之间的关系

  • 一台 Web Server 约承受量是 1k 的 QPS
  • 一台 SQL Database 约承受量是 1k 的 QPS（如果 JOIN 和 INDEX query 比较多的话，这个值会更小）
  • 一台 NoSQL Database (Redis) 约 1M 的 QPS

Service 服务

SOA (Service-Oriented Architecture) 微服务化

将大系统拆分为小服务

  1. Step 1: Replay
  • 重新过一遍每个需求, 为每个需求添加一个服务
  1. Step 2: Merge
  • 归并相同的服务

什么是服务 Service？

  • 可以认为是逻辑处理的整合
  • 对于同一类问题的逻辑处理归并在一个 Service 中
  • 把整个 System 细分为若干个小的 Service

Storage 存储 🌟

数据如何存储与访问

  1. Step 1: Select

    • 为每个 Application/Service 选择合适的存储结构

  2. Step 2: Schema

    • 细化数据表结构

  • 数据库系统 Database

    • 关系型数据库 SQL Database

      • 用户信息 User Table

        查询复杂，需要索引

    • 非关系型数据库 NoSQL Database

      • 推文 Tweets

        增加速度比用户增加快得多，需要可拓展性，

      • 社交图谱 Social Graph (followers)

  • 文件系统 File System

    • 图片、视频 Media Files

  • 缓存系统 Cache

    • 不支持数据持久化 Nonpersistent
    • 效率高, 内存级访问速度

Scale 扩展

How to Scale？系统如何优化与维护

  1. Optimize 优化
  2. Maintenance 维护
  • Step 1: Optimize
    • 解决设计缺陷 Solve Problems
      • Pull vs Push
    • 更多功能设计 More Features
      • Like, Follow & Unfollow, Ads
    • 一些特殊情况 Special Cases
      • 鹿晗关晓彤搞挂微博, 僵尸粉
  • Step 2: Maintenance
    • 鲁棒性 Robust
      • 如果有一台服务器/数据库挂了怎么办
    • 扩展性 Scalability
      • 如果有流量暴增, 如何扩展

常见问题

设计推特

设计滴滴

设计短链

软件开发的三高指标：高并发、高性能、高可用。

高并发方面要求 QPS 大于 10 万；

高性能方面要求请求延迟小于 100 ms；

高可用方面要高于 99.99%(4 个 9)

高并发（High Concurrency）：高并发指的是系统能够同时处理大量的用户请求或操作。在高并发环境下，系统需要有效地管理资源，如线程和数据库连接，以便同时服务于大量用户或执行大量任务，而不会降低性能或导致服务中断。

高可用（High Availability）：高可用性指的是系统能够持续不断地为用户提供服务，即使面临部分故障或维护操作。这通常通过冗余设计（如多服务器、负载均衡、故障转移等）实现，确保系统的关键部分在任何时候都有一个备份可以接管工作。

高性能（High Performance）：高性能涉及到系统响应用户请求的速度和处理数据的能力。这不仅包括快速响应用户的交互请求，还包括在后端处理大量数据时的效率。提升性能通常涉及到优化代码、使用高效的算法、以及合理地利用硬件资源。

代码复杂度：圈复杂度(Cyclomatic complexity)

非常肝的人，一周 1000 行

一般的人一天 50 行代码

80%复用以前的代码，没有提升；20%新的有提升的

junior->senior: 3-5yoe

10000 行代码 5000 行 test，每一行代码都需要 unit test 测试

test coverage（每行都覆盖到，90%上）

git 分支管理 https://juejin.cn/post/7352075703859150899

  • Ask before design
    • 问清楚再动手设计
    • 不要一上来就冲着一个巨牛的方案去设计
    • 切忌不要做关键词大师
  • No more no less
    • 不要总想着设计最牛的系统
    • 要设计够用的系统
  • Work solution first
    • 先设计一个基本能工作的系统, 然后再逐步优化
    • Done is better than perfect! — Mark Zuckerberg
  • Analysis is important than solution
    • 系统设计没有标准答案
    • 记住答案是没用的
    • 通过分析过程展示知识储备
    • 权衡各种设计方式的利弊
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