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您好，作為開發人員，充分理解基本系統設計概念對於開發可擴展、可靠和高效能的軟體系統至關重要。 系統設計涉及設計軟體系統的體系結構和元件，以滿足特定要求並實現所需的性能特徵。
隨著技術的快速進步和軟體應用的複雜性不斷增加，掌握系統設計概念對於程式設計師建立高效且有效的系統至關重要。
在上幾篇文章中，我回答了流行的系統設計問題，例如API 網關與負載平衡器以及水平與垂直擴展，今天，我們將看看每個程式設計師都應該學習的 10 個關鍵系統設計概念。
這些概念為設計能夠處理大規模資料、容納並髮用戶並提供最佳效能的軟體系統奠定了堅實的基礎。
無論您是初學者還是經驗豐富的開發人員，了解這些系統設計概念都將使您能夠建立強大且可擴展的軟體系統，以滿足現代應用程式的需求。那麼，讓我們深入探討這些基本的系統設計原則吧！
順便說一句，如果您正在準備系統設計面試並想深入學習系統設計，那麼您還可以查看ByteByteGo 、 Design Guru 、 Exponent 、 Educative和Udemy等網站，它們有許多很棒的系統設計課程
以下是每個程式設計師都應該考慮學習的 10 個重要的系統設計概念：
可擴展性
可用性
可靠性
容錯能力
快取策略
負載平衡
安全
可擴展的資料管理
設計模式
效能最佳化
理解和應用這些系統設計概念可以幫助程式設計師和開發人員建立強大的、可擴展的、高效能的軟體系統，以滿足現代應用程式和使用者的需求。
現在，讓我們深入研究它們中的每一個並了解它們是什麼以及如何在您的應用程式中實現它們。
1. 可擴展性
可擴展性是指系統或應用程式處理不斷增加的工作負載或使用者而不顯著降低效能或功能的能力。
它是系統設計中的一個重要概念，因為它允許系統成長並適應不斷變化的需求，例如增加的資料量、使用者流量或處理需求，而不會遇到效能瓶頸或限制。
在現代運算環境中，系統需要處理大量且不斷成長的資料和用戶，可擴展性至關重要。例如，流行的網站、行動應用程式和基於雲端的服務需要能夠同時處理數百萬甚至數十億個請求，而分散式資料庫和大資料平台需要擴展以處理 PB 或 EB 的資料。
對於需要適應尖峰負載的系統來說，可擴展性也很重要，例如假期期間的線上購物或因病毒事件導致的用戶活動突然激增。
可擴展性主要有兩種：垂直可擴展性和水平可擴展性。垂直可擴展性涉及向單一伺服器或節點加入更多資源（例如 CPU、記憶體或儲存）以處理增加的工作負載。另一方面，水平可擴展性涉及向系統加入更多伺服器或節點以分配工作負載並處理增加的需求。
水平可擴展性通常透過負載平衡、 分片、分區和分散式處理等技術來實現。
實現可擴展性需要仔細的系統設計、架構和實作。它涉及設計能夠有效處理不斷增加的工作負載、有效利用資源、最大限度地減少依賴性以及跨多個節點或伺服器分佈處理的系統。
快取、非同步處理、平行處理和分散式資料庫等技術通常用於提高可擴展性。測試和效能監控對於確保系統在擴展時繼續保持良好效能也至關重要。
可擴展性是建立強大的高效能係統的重要考慮因素，這些系統可以處理成長並適應隨時間變化的需求。它使系統能夠滿足不斷增長的需求，提供無縫的用戶體驗，並支援業務成長，而不會遇到效能限製或停機。
這是來自ByteByteGo的一個很好的圖表，這是準備系統設計面試的好地方，它顯示了垂直擴展和水平擴展之間的區別
2. 可用性
可用性是指軟體系統即使在發生故障或中斷時也能保持運作並可供使用者存取的能力。
高可用性是許多系統的關鍵要求，特別是那些任務關鍵型或時間敏感型系統，例如線上服務、電子商務網站、金融系統和通訊網路。
此類系統的停機可能會導致重大的財務損失、聲譽受損和客戶不滿。因此，保證高可用性是系統設計時重點考慮的問題。
可用性通常使用正常運作時間（衡量系統運作時間的百分比）和停機時間（衡量系統不可用的時間）等指標來量化。
實現高可用性涉及設計具有冗餘、容錯和故障轉移機制的系統，以最大限度地降低因硬體故障、軟體故障或其他意外事件而導致停機的風險。
在系統設計中，採用了各種技術和策略來提高可用性，例如負載平衡、叢集、複製、備份和復原、監控和主動維護。
實施這些措施是為了最大限度地減少單點故障、檢測故障並從故障中恢復，並確保系統即使在發生故障或中斷時也能保持運作。
透過設計具有高可用性的系統，工程師可以確保系統可以長時間存取和執行，從而提高客戶滿意度、減少停機時間並提高業務連續性。
3、可靠性
可靠性是指軟體系統在交付預期結果時的一致性和可靠性。建立具有可靠元件、錯誤處理機制和備份/復原策略的系統對於確保系統按預期運作並產生準確的結果至關重要。
可靠性是系統設計的關鍵因素，因為它直接影響系統的整體性能和品質。可靠的系統應始終按預期執行，不會出現意外故障、錯誤或中斷。
關鍵任務應用通常需要高可靠性，因為系統故障可能會造成嚴重後果，例如在航空、醫療保健、金融和其他安全關鍵領域。
可靠性通常使用各種指標來量化，例如平均故障間隔時間 (MTBF) （測量故障之間的平均持續時間）和故障率 (FR)（測量一段時間內故障發生的速率）。
可靠性可以透過各種技術和策略來實現，例如冗餘、錯誤檢測和糾正、容錯和穩健設計。
在系統設計中，要實現高可靠性需要仔細考慮各種因素，包括元件品質、系統架構、錯誤處理、容錯機制、監控和維護策略。
透過設計高可靠性的系統，工程師可以確保系統始終如一地按預期執行，從而提高客戶滿意度、減少停機時間並提高系統效能和可用性。
4. 容錯性
容錯是指系統或元件在故障或故障（例如硬體故障、軟體錯誤或其他不可預見的問題）時繼續正常運作的能力。
容錯系統旨在檢測、隔離故障並從故障中恢復，而不會完全故障或停機。
容錯是系統設計中的重要概念，特別是在分散式系統或需要在具有挑戰性的環境中可靠運作的系統中。
它涉及實現冗餘、錯誤檢測、錯誤糾正和錯誤恢復機制，以確保即使某些元件或子系統發生故障，系統也能繼續運作。
有多種技術和策略可以實現容錯，例如複製，即在不同位置維護相同資料或服務的多個副本，以便在一個發生故障時，其他副本可以接管；檢查點，定期保存系統狀態，以便在發生故障時，系統可以恢復到先前已知的良好狀態；優雅降級，即係統在故障時可以繼續執行，但功能會減少。
容錯對於確保系統的高可用性、可靠性和彈性至關重要，特別是在系統故障可能造成嚴重後果的關鍵任務應用程式中。
透過在系統設計中納入容錯機制，工程師可以建立強大且可靠的系統，即使在遇到意外故障時也可以繼續運作並提供預期結果。
5. 快取策略
快取策略是一種用於優化系統效能的技術，它透過將經常存取的資料或結果儲存在稱為快取的臨時儲存位置中，以便可以快速檢索資料，而無需重新計算或從原始來源取得。
系統設計中常用的快取策略有以下幾種：
- 完全緩存
在此策略中，整個資料集或結果都會快取在快取中，提供對所有資料或結果的快速存取。當資料或結果相對較小且可以輕鬆儲存在記憶體或本地快取中時，此策略非常有用。
- 部分快取
在此策略中，通常基於使用模式或頻繁存取的資料，僅快取資料或結果的子集。當資料或結果規模很大，或並非所有資料或結果都被頻繁存取，並且快取整個資料集不可行時，此策略很有用。
- **基於時間的到期時間
在此策略中，資料或結果被快取特定的時間，之後快取被認為是陳舊的，並且資料或結果從原始來源獲取並在快取中更新。當資料或結果相對穩定且不經常變化時，此策略很有用。
- LRU（最近最少使用）或 LFU（最不常使用）替換策略
在這些策略中，最近最少使用或最不頻繁使用的資料或結果被從快取中逐出，以為新資料或結果騰出空間。當快取的儲存容量有限且需要驅逐不常存取的資料以容納新資料時，這些策略非常有用。
- 直寫式或後寫式緩存
在這些策略中，資料或結果在更新或插入時寫入快取和原始來源（直寫）或僅寫入快取（後寫）。當系統需要保持快取和原始來源之間的一致性或原始來源無法直接更新時，這些策略就非常有用。
- 分散式快取
在此策略中，快取分佈在多個節點或伺服器上，通常使用分散式快取框架或技術。當系統跨多個節點或伺服器分佈或擴展並且需要保持分散式快取的一致性和效能時，此策略就非常有用。
- 自訂快取
可以根據系統或應用程式的特定要求和特徵來實施自訂快取策略。這些策略可能涉及上述策略或其他自訂方法的組合，以滿足系統的獨特需求。
選擇合適的快取策略取決於資料或結果的大小、存取頻率、資料或結果的易變性、儲存容量、一致性要求以及系統的效能目標等多種因素。仔細考慮和實施快取策略可以顯著提高系統效能、降低資源利用率、提高可擴展性並增強使用者體驗。
6.負載平衡
負載平衡是分散式系統或網路中使用的技術，用於在多個伺服器或資源之間均勻分配傳入的網路流量或工作負載，確保沒有任何單一伺服器或資源因過多的流量或工作負載而不堪負荷。
負載平衡的目的是優化資源利用率，最大化系統可用性，提高系統整體效能和可靠性。在微服務架構中， 負載平衡和 API 閘道通常指的是相同的，但事實並非如此，API 閘道可以做更多的事情，如本文所述。
負載平衡可以透過各種演算法或方法來實現，例如：
循環：傳入請求以輪流方式依序分發到每個伺服器或資源，確保所有伺服器或資源之間的流量平均分配
最少連線：傳入請求分發到活動連線數最少的伺服器或資源，確保負載最少的伺服器或資源接收新請求。
來源 IP 關聯性：來自相同客戶端 IP 位址的傳入請求將導向至相同伺服器或資源，確保來自特定用戶端的請求始終由相同伺服器或資源處理。
加權循環：傳入請求根據分配給每個伺服器或資源的預定義權重進行分配，從而允許根據伺服器或資源容量或功能採用不同的流量分配比率。
自適應負載平衡：負載平衡演算法根據伺服器或資源健康、效能或其他指標的即時監控，動態調整流量分配，確保最佳的資源利用率和系統效能。
負載平衡可以使用基於硬體的負載平衡器、基於軟體的負載平衡器或基於雲端的負載平衡服務來實現。
它在具有高流量負載或資源密集型工作負載的分散式系統或網路中發揮著至關重要的作用，可以實現資源的高效利用，增強系統的可用性和可靠性，並提供無縫的用戶體驗。
這裡還有一個來自DesignGuru.io的漂亮圖表，這是一個學習面試準備系統設計的優秀網站，它強調了負載平衡器和 API 閘道之間的區別：
7. 安全
系統設計中的安全性是指考慮和實施保護系統免受潛在安全威脅、漏洞或攻擊的措施。
它涉及設計和實施具有內建安全功能和實踐的系統，以防止未經授權的存取、資料外洩、資料外洩、惡意軟體攻擊和其他安全風險。
系統設計中的安全性通常涉及以下原則：
身份驗證：確保使用者或實體經過驗證並根據其身分和憑證被授予適當的存取權限。
授權：實施存取控制和權限，限制使用者或實體存取未經授權的資源或執行未經授權的操作。
加密：透過使用加密技術來保護敏感資料，以防止未經授權的存取或資料外洩。
稽核和日誌記錄：實施機制來追蹤和記錄系統活動和事件，以用於監視、稽核和取證目的。
輸入驗證：驗證和清理所有輸入資料，以防止常見的安全漏洞，例如 SQL 注入、跨站腳本 (XSS) 和跨站請求偽造 (CSRF) 攻擊。
修補程式和更新：使用最新的安全性修補程式和更新使系統保持最新狀態，以解決已知的安全漏洞。
深度防禦：實施多層安全控制，例如防火牆、入侵偵測系統和防毒軟體，以提供針對安全威脅的多層防禦。
最小權限原則：將使用者或實體的存取權限限製到執行其任務所需的最低限度，減少安全漏洞或攻擊的潛在影響。
安全通訊：使用安全通訊協定（例如 HTTPS 或 SSL/TLS）來保護傳輸中的資料免於攔截或竊聽。
系統設計中的安全性對於保護資料和資源的完整性、機密性和可用性以及確保系統的整體安全狀況至關重要。應考慮並納入系統的設計、開發和部署階段，以減輕潛在的安全風險並防範安全威脅。
8. 可擴展的資料管理
可擴展的資料管理是指系統或應用程式有效處理不斷增長的資料量而不會出現效能下降或功能遺失的能力。
它涉及設計和實施資料管理實務和技術，這些實務和技術可以處理不斷增加的資料量、使用者負載和處理要求，同時保持可接受的效能和可靠性水準。
可擴展的資料管理通常涉及以下原則：
資料分區：將大型資料集分割成更小的、可管理的區塊或分區，以將資料分佈在多個儲存或處理資源上。這有助於減少單一資源的負載，並允許並行處理和提高效能。
分散式資料庫系統：使用分散式資料庫或資料儲存解決方案，可以將資料分佈在多個節點或伺服器上，從而實現水平擴展並提高效能。
資料複製：跨多個節點或伺服器複製資料，以確保資料可用性和容錯性。這可能涉及資料鏡像、資料分片或資料快取等技術，以提高效能和可靠性。
快取和記憶體中資料儲存：快取經常存取的資料或將資料儲存在記憶體中，以便更快地檢索和處理，減少對昂貴的磁碟 I/O 操作的需求並提高效能。
索引和查詢最佳化：使用高效的索引和查詢最佳化技術來加速資料檢索和處理操作，尤其是在大型資料集中。
資料壓縮：實施資料壓縮技術以減少儲存佔用空間並提高資料傳輸效率，特別是對於大型資料集。
資料歸檔和清除：實施資料歸檔和清除實踐以刪除或歸檔舊的或不經常存取的資料，減少儲存和處理開銷並提高效能。
可擴展的資料處理框架：使用可擴展的資料處理框架，例如 Apache Hadoop、Apache Spark 或 Apache Flink，可以分散式並行方式處理大規模資料處理和分析任務。
雲端的資料管理：利用雲端的資料管理服務，例如 Amazon S3、Amazon RDS 或 Google Bigtable，提供可擴充和託管的資料儲存和處理功能。
監控和可擴展性測試：定期監控系統效能並進行可擴展性測試，以辨識和解決效能瓶頸、資源限製或其他可擴展性挑戰，並確保資料管理實踐能夠有效處理不斷增長的資料量和負載。
簡而言之，可擴展的資料管理對於需要處理大量資料、使用者負載和處理要求的現代應用程式和系統至關重要。
它使系統能夠成長並適應不斷變化的需求，而無需犧牲效能或可靠性，從而確保資料管理實踐能夠有效地處理不斷增加的資料量和負載。
9. 設計模式
系統設計中的設計模式是指用於解決軟體系統開發過程中遇到的常見設計挑戰或問題的可重複使用解決方案或最佳實踐。 設計模式是被廣泛接受和經過驗證的設計和架構軟體系統的方法，它們為設計高效、可維護和可擴展的系統提供了一組明確的指南。
系統設計中的設計模式可分為多種類型，包括：
建立模式：這些模式專注於物件建立機制，並提供以靈活且可重複使用的方式建立物件的方法。建立模式的範例包括 Singleton、Factory Method、Abstract Factory、Builder 和 Prototype 模式。
結構模式：這些模式著重於類別和物件的組織以形成更大的結構或系統。結構模式的範例包括適配器、橋、複合、裝飾器和外觀模式。
行為模式：這些模式著重於系統內物件或元件之間的互動和通訊。行為模式的範例包括觀察者、策略、命令、迭代器和模板方法模式。
架構模式：這些模式為設計系統的整體架構提供了高階指南和策略。架構模式的範例包括模型-視圖-控制器 (MVC)、模型-視圖-視圖模型 (MVVM)、分層架構、微服務和事件驅動架構模式。
設計模式在系統設計中非常重要，因為它們提供了經過驗證的標準化方法來解決常見的設計挑戰、提高程式碼品質並確保軟體系統的可維護性和可擴展性。
它們促進程式碼的可重複使用性、關注點分離和功能封裝，從而更容易管理複雜的系統並使其適應不斷變化的需求。
透過使用設計模式，開發人員可以利用現有知識和最佳實踐來設計強大而高效的系統，以滿足使用者和利害關係人的需求。
在過去的幾篇文章中，我還討論了常見的微服務設計模式，如事件來源、 CQRS **、SAGA**、 每個微服務的資料庫、 API 閘道、 斷路器，並分享了設計微服務的最佳實踐，您也可以查看這些文章以了解有關微服務通訊的更多訊息，包括同步和非同步通訊。
10. 性能
雖然我們已經知道效能意味著什麼，但還記得速度慢的筆記型電腦嗎？在系統設計中，效能是指軟體系統處理資料和交付結果的速度、反應能力和效率。
透過高效的演算法、快取、索引和其他技術來優化系統效能對於建立能夠處理大規模資料處理並提供最佳回應時間的系統至關重要。
系統設計中的效能是指軟體系統或應用程式有效率且有效地執行其預期功能或任務，同時滿足效能要求和期望的能力。它涵蓋了系統的回應時間、吞吐量、資源利用率、可擴展性和效率等各個方面。
效能是系統設計中的關鍵因素，因為它直接影響使用者體驗、系統可靠性和整體系統效率。效能不佳的系統可能會導致反應時間慢、吞吐量低、資源利用率高以及系統資源使用效率低下，導致系統效能下降和使用者不滿意。
系統設計人員在設計過程中需要考慮各種與效能相關的因素，例如選擇適當的演算法和資料結構、最佳化程式碼、最大限度地減少不必要的開銷、有效管理系統資源以及確保正確的系統配置和調優。
效能測試和分析技術還可用於辨識和解決效能瓶頸並優化系統效能。
優化系統設計中的效能需要在功能、複雜性和資源利用率之間進行仔細的平衡。它涉及做出明智的設計決策、使用最佳實踐以及持續監控和優化系統性能，以確保系統滿足其性能要求並提供流暢高效的用戶體驗。
結論
這就是面試的基本系統設計概念。理解和掌握這些關鍵的系統設計概念對於程式設計師建立健壯、可擴展且高效的軟體系統至關重要。
這些概念，包括容錯、可靠性、可用性、快取策略、負載平衡、安全性、可擴展資料管理、設計模式和效能，在確保軟體系統滿足其預期目標、最佳執行並提供卓越的效能方面發揮著關鍵作用。
透過對這些系統設計概念的深入理解，您可以做出明智的設計決策，選擇適當的技術和技巧，並優化系統效能。
它還允許您設計具有彈性、可擴展、安全和高效的系統，能夠應對現代軟體開發的挑戰並滿足最終用戶的期望。
順便說一句，如果您正在準備系統設計面試並想要深入學習系統設計，那麼您還可以查看ByteByteGo 、 DesignGuru 、 Exponent 、 Educative和Udemy等網站，它們有許多很棒的系統設計課程，如果您需要免費的系統設計課程您也可以查看下面的文章。
原文出處：https://dev.to/somadevtoo/10-must-know-system-design-concepts-for-interviews-2fii
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