系统设计基础
系统设计是构建大规模、可扩展、高性能系统的关键技能。本章将介绍系统设计的基本原则和核心技术组件，为设计实际系统打下坚实基础。
系统设计原则
1. 可扩展性（Scalability）
系统能够处理不断增长的工作负载。
- 垂直扩展：增加单机性能（CPU、内存）
- 水平扩展：增加机器数量
2. 可用性（Availability）
系统能够持续提供服务，通常用”9”的数量表示：
- 99.9%：每年约 8.76 小时 downtime
- 99.99%：每年约 52.56 分钟 downtime
- 99.999%：每年约 5.26 分钟 downtime
3. 一致性（Consistency）
- 强一致性：所有节点同时看到相同数据
- 最终一致性：最终所有节点数据一致
- CAP 定理：一致性、可用性、分区容错性三者不可兼得
4. 可靠性（Reliability）
系统能够正确执行预期功能。
5. 性能（Performance）
- 延迟：请求处理时间
- 吞吐量：单位时间处理的请求数
核心技术组件
1. 负载均衡（Load Balancer）
类型
- DNS 负载均衡：DNS 返回多个 IP
- 硬件负载均衡：F5、Citrix
- 软件负载均衡：Nginx、HAProxy
算法
- 轮询（Round Robin）
- 加权轮询（Weighted Round Robin）
- 最少连接（Least Connections）
- IP 哈希（IP Hash）
2. 数据库
关系型数据库（SQL）
- MySQL：开源，广泛使用
- PostgreSQL：功能强大
- 特点：ACID 事务、结构化数据
NoSQL 数据库
- 键值存储：Redis、DynamoDB
- 文档数据库：MongoDB、CouchDB
- 列存储：Cassandra、HBase
- 图数据库：Neo4j
数据库复制
- 主从复制：主库写，从库读
- 主主复制：双主库，互相同步
数据库分片（Sharding）
- 水平分片：按行分片
- 垂直分片：按列分片
3. 缓存（Cache）
缓存策略
- Cache-Aside：应用负责缓存
- Write-Through：同时写缓存和数据库
- Write-Back：先写缓存，异步写数据库
缓存位置
- 客户端缓存：浏览器缓存
- CDN 缓存：内容分发网络
- 反向代理缓存：Nginx 缓存
- 应用缓存：Redis、Memcached
- 数据库缓存：查询结果缓存
4. 消息队列（Message Queue）
用途
- 解耦：服务间解耦
- 异步处理：异步任务处理
- 削峰：处理流量峰值
常见消息队列
- RabbitMQ：功能丰富
- Kafka：高吞吐量
- Amazon SQS：AWS 托管服务
5. CDN（Content Delivery Network）
工作原理
- 将内容缓存到全球边缘节点
- 用户从最近的节点获取内容
适用场景
- 静态资源（图片、CSS、JS）
- 视频流媒体
- 大文件下载
6. 监控和日志
监控指标
- 系统指标：CPU、内存、磁盘、网络
- 应用指标：请求数、错误率、延迟
- 业务指标：用户数、订单数、收入
日志系统
- 集中式日志：ELK Stack（Elasticsearch、Logstash、Kibana）
- 分布式追踪：Jaeger、Zipkin
系统设计步骤
1. 需求澄清
- 功能需求：系统需要做什么
- 非功能需求：性能、可用性、扩展性要求
- 约束条件：用户量、数据量、预算
2. 容量估算
- 用户量：日活用户、峰值 QPS
- 存储量：数据大小、增长率
- 带宽：数据传输量
3. 系统架构设计
- 高层设计：主要组件和交互
- 详细设计：每个组件的具体实现
- 数据模型：数据库设计
4. 扩展性设计
- 水平扩展：如何添加更多服务器
- 数据分片：如何分布数据
- 缓存策略：如何减少数据库负载
5. 性能优化
- 缓存：减少数据库查询
- CDN：加速静态资源
- 数据库优化：索引、查询优化
常见设计模式
1. 微服务架构
将单体应用拆分为多个小型服务。
优点：
- 独立部署和扩展
- 技术栈灵活
- 故障隔离
缺点：
- 服务间通信复杂
- 分布式系统问题
2. 事件驱动架构
通过事件进行服务间通信。
优点：
- 解耦
- 可扩展
- 异步处理
缺点：
- 事件顺序问题
- 调试困难
3. CQRS（Command Query Responsibility Segregation）
分离命令和查询。
优点：
- 读写分离
- 独立优化
缺点：
- 复杂度增加
- 数据一致性
总结
系统设计基础包括：
- 设计原则：可扩展性、可用性、一致性、可靠性、性能
- 核心组件：负载均衡、数据库、缓存、消息队列、CDN、监控
- 设计步骤：需求澄清、容量估算、架构设计、扩展性设计、性能优化
- 设计模式：微服务、事件驱动、CQRS
掌握这些基础知识能够帮助你设计出优秀的系统。
接下来，让我们通过系统设计案例来实践这些知识。