system-design-primer

关键词:分布式、高并发、系统设计、面试


看腻了互联网上零碎、纷繁的面试题目?

来看看这个仓库吧,他系统介绍了对于大型系统的设计问题,并为系统设计面试做准备。

仓库地址:Gitee Github

项目简介

这个项目旨在帮助开发者学习如何设计大型系统,并为系统设计面试做准备。它包含了一系列的资源,包括但不限于:

  1. 动机:学习如何设计可扩展的系统,以及如何从开源社区中学习。
  2. 面试准备:提供了常见的系统设计面试问题及其解决方案,以及如何使用 Anki 记忆卡片来巩固关键概念。
  3. 系统设计主题:涵盖了各种系统设计主题的概述,包括性能与可扩展性、延迟与吞吐量、可用性与一致性等。
  4. 学习指南:根据面试时间线(短期、中期、长期)提供了建议的复习主题。
  5. 面试问题处理方法:提供了一个结构化的步骤来处理系统设计面试问题,包括概述用例、约束和假设,创建高层次设计,设计核心组件,以及扩展设计。
  6. 系统设计面试问题与解决方案:提供了一些常见的系统设计问题,如设计 Pastebin.com、设计 Twitter 时间线和搜索、设计 Web 爬虫等,并提供了解决方案。
  7. 面向对象设计面试问题与解决方案:提供了一些面向对象设计的面试问题,如设计哈希表、设计最近最少使用(LRU)缓存等。
  8. 系统设计主题入门:提供了一些基础的系统设计概念,如可扩展性讲座、可扩展性文章等。
  9. 性能与可扩展性:讨论了服务的可扩展性,以及如何在资源增加时保持性能增长。
  10. 可用性与一致性:探讨了 CAP 定理,以及在分布式系统中如何在一致性和可用性之间做出权衡。
  11. 一致性模式:介绍了弱一致性、最终一致性和强一致性的概念。
  12. 可用性模式:讨论了故障转移(fail-over)和复制(replication)模式,以及它们的优缺点。
  13. 数据库:介绍了关系数据库管理系统(RDBMS)的基本概念,如主从复制、主主复制、联合(federation)、分片(sharding)和去规范化(denormalization)。
  14. NoSQL:介绍了 NoSQL 数据库的类型,包括键值存储、文档存储、宽列存储和图数据库。
  15. 缓存:讨论了缓存的重要性,以及如何在不同层次上实现缓存,如客户端缓存、CDN 缓存、Web 服务器缓存和应用缓存。
  16. 异步处理:介绍了消息队列和任务队列的概念,以及如何使用它们来处理耗时操作。
  17. 通信:讨论了 HTTP、TCP 和 UDP 协议,以及远程过程调用(RPC)和表示性状态转移(REST)架构风格。
  18. 安全性:提供了一些基本的安全建议,如加密、输入清理和最小权限原则。
  19. 附录:提供了一些有用的参考信息,如二的幂表和程序员应该知道的延迟数字。

此外,项目还提供了一些额外的系统设计面试问题、真实世界的架构案例、公司架构和工程博客的链接,以及一些正在开发中的主题。项目鼓励社区贡献,欢迎提交拉取请求来改进或添加新的内容。

在设计大型系统时,如何平衡性能、可扩展性和延迟?

在设计大型系统时,平衡性能、可扩展性和延迟是一个复杂且关键的任务,因为这三者之间往往存在权衡关系。以下是一些策略和最佳实践,可以帮助在设计时取得平衡:

  1. 理解业务需求

    • 在设计之初,明确系统的关键性能指标(KPIs),如响应时间、吞吐量、并发用户数等。
    • 确定业务的可扩展性需求,包括预期的用户增长、数据增长和功能扩展。
  2. 分层架构

    • 使用分层架构来分离关注点,例如将数据访问层、业务逻辑层和表示层分开。
    • 这有助于在不影响其他层的情况下,对特定层进行优化。
  3. 缓存策略

    • 使用缓存来减少数据库访问,提高响应速度,降低延迟。
    • 实现多级缓存,如内存缓存、CDN缓存和持久化缓存。
  4. 负载均衡

    • 使用负载均衡器分散请求到多个服务器,提高系统的吞吐量和可用性。
    • 实现水平扩展,通过增加更多的服务器来提高性能和可扩展性。
  5. 异步处理

    • 对于耗时的操作,如数据处理和通知,采用异步处理来避免阻塞主线程,从而降低延迟。
  6. 数据库优化

    • 选择合适的数据库类型(SQL 或 NoSQL)以及适当的数据模型。
    • 实施数据库分片、索引优化和查询优化来提高性能。
  7. 服务拆分

    • 采用微服务架构,将大型应用拆分为多个独立的服务,每个服务负责特定的业务功能。
    • 这有助于独立扩展各个服务,提高整体系统的可扩展性。
  8. 并发和并行处理

    • 利用多线程或多进程来并行处理任务,提高系统的处理能力。
    • 在数据库操作中使用批量处理和事务批处理来减少I/O操作次数。
  9. 性能测试和监控

    • 定期进行性能测试,确保系统在高负载下仍能满足性能要求。
    • 实施实时监控和日志记录,以便快速定位和解决问题。
  10. 弹性设计

    • 设计系统时考虑故障恢复和灾难恢复策略,确保系统在部分组件失败时仍能保持运行。
  11. 用户反馈

    • 收集用户反馈,了解他们对性能和延迟的敏感度,根据反馈调整优化策略。
  12. 持续优化

    • 系统设计不是一次性的任务,而是持续的过程。随着业务的发展和技术的进步,不断评估和优化系统架构。

通过上述策略,可以在设计大型系统时实现性能、可扩展性和延迟之间的平衡。然而,这通常需要在实际应用中不断调整和优化,以适应不断变化的业务需求和技术环境。

在设计大型系统时,如何确保系统的安全性和数据保护?

在设计大型系统时,确保系统的安全性和数据保护是至关重要的。以下是一些关键的步骤和最佳实践,可以帮助实现这一目标:

  1. 安全需求分析

    • 在系统设计之初,识别潜在的安全威胁和风险,并根据业务需求定义安全目标。
    • 了解数据的敏感性,并根据数据的重要性和敏感性级别制定相应的保护措施。
  2. 数据加密

    • 对存储和传输的数据进行加密,确保即使在数据泄露的情况下,也无法轻易被解读。
    • 使用强加密算法,并定期更新密钥。
  3. 身份验证和授权

    • 实施强大的身份验证机制,如多因素认证,确保只有授权用户才能访问系统。
    • 使用角色基础的访问控制(RBAC)或属性基础的访问控制(ABAC)来限制用户对资源的访问。
  4. 输入验证和清理

    • 对所有用户输入进行严格的验证,防止注入攻击(如SQL注入)和跨站脚本(XSS)攻击。
    • 使用白名单验证和参数化查询来确保输入的合法性。
  5. 安全编码实践

    • 遵循安全编码标准,如OWASP Top 10,避免常见的安全漏洞。
    • 对开发者进行安全培训,提高他们对安全问题的认识。
  6. 安全配置和补丁管理

    • 确保系统和依赖的软件都配置得当,关闭不必要的服务和端口。
    • 定期更新系统和应用程序,及时应用安全补丁。
  7. 网络隔离和防火墙

    • 使用网络隔离技术,如虚拟私有网络(VPN)和防火墙,来保护系统不受未经授权的访问。
    • 对进出系统的数据流进行监控和过滤。
  8. 审计和日志记录

    • 实施全面的审计策略,记录所有关键操作和事件。
    • 定期审查日志,以便在发生安全事件时进行调查。
  9. 灾难恢复计划

    • 设计并实施灾难恢复计划,包括数据备份和恢复策略。
    • 定期进行恢复测试,确保在紧急情况下能够迅速恢复系统。
  10. 合规性和标准

    • 确保系统设计符合相关的法律、法规和行业标准,如GDPR、HIPAA等。
    • 进行定期的安全审计,以评估系统的合规性。
  11. 安全测试

    • 在开发过程中进行安全测试,包括静态代码分析、动态扫描和渗透测试。
    • 在系统上线前和上线后定期进行安全评估。
  12. 安全文化和意识

    • 在组织内部建立安全文化,提高员工对安全问题的认识。
    • 鼓励员工报告安全问题,并为安全贡献提供奖励。

通过上述措施,可以在设计和实施大型系统时,有效地保护系统和数据的安全。然而,安全性是一个持续的过程,需要不断地评估新的威胁、更新安全策略,并适应技术的变化。


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