搞定面试中的系统设计题

一般来说，社招多少都会考察系统设计题，尤其是针对有了1年以上工作经验的工程师，这更是面试流程中的家常菜，除了面试之外，学会系统设计对我们的日常工作也是大有裨益的。

每当我说起“设计”，就会联想到“战略”这个词语，战略的意思就是，选择一方面，而放弃另一方面。而软件设计也是这样，我们在多个需求、现实资源中进行权衡，从而给出一套符合当前，以及短期未来中最优的方案。下面这张图画出了后端中常见的一些结构，此外，还可以参考我的《Web开发简介》

system design

系统设计题想要考察什么？

首先我们要搞清楚，面试官为什么要问这一类题目。这一类题目的特点是题目非常开放，涉及到的知识点特别多，每一个地方都可以进行深挖，而且，往往一个条件进行改变，相对较好的方案就会完全不同。通常来说，面试官使用系统设计题，主要就是考察：

思维是否开阔、灵活
知识广度
知识深度
架构能力是否足够，是否能设计出可扩展的系统
是否能熟练使用常见工具并且知晓特性，能够因地制宜选择合适的方案和工具

因此，此时我们已经知道面试官到底想要通过系统设计题考察我们什么，我们也就知道在大的方面，该要怎么应对面试：

加强知识深度：知识深度不仅仅在系统设计题中体现，包括此前的技术面试题都会考察
加强知识广度：了解常见工具的特性和什么场景适合，例如MySQL/PG、Redis。了解常见的业务场景特点，例如：论坛一般来说都是读多写少，而日志服务则是写多读少。
了解常见的软件架构模式，参考这里

如何解决系统设计题

那么，当我们拿到一个具体的系统设计题时，我们应该怎么着手解决它呢？

注意陷阱⚠️

千万不要张口就来 。我们上面的分析已经表明，遇到问题，我们必须先明确问题，然后才能给出有效的解决方案，系统设计题也是如此。而往往面试官会在这里面挖坑，就是，给出一个条件相当模糊的系统设计题。例如：请设计一个短链接系统、请设计一个压测工具。

如果我们张口就来，那么就中了面试官的套路。在工作中也是如此，如果你碰到了一个产品经理，产品经理还没有想清楚，就叫你写代码，那么后面一定是反复修改需求，作为工程师的你一定是痛不欲生。因此，我们需要做的第一步就是 明确问题，不要张口就来。

千万不要自己一个人闷头想，记得一边想一边把你的思路说出来 由于别人是不知道你咋想什么的，如果你一个人皱着眉头思考，面试官也很着急，他也不知道你是想不出还是怎么的。所以，一边把你的思路描述出来一边想，这是最好的方式。

明确问题

拿到了问题之后，我们只有一个大概的方向，即我们要做一个什么。但是并不清楚具体条件，而不同的的业务场景所需要的架构也是不一样的。例如，每天只有10000次访问的短链接系统和每秒钟有10000次访问的短链接系统在技术要求上是不一样的。

因此，第一个我们需要问面试官的问题：

这个系统一天的请求量是多少？面试官回答，一天2万。

虽然现在我们有了更加明确的条件，但是还是不够具体，我们需要进一步确定：

这个短链接系统的峰值是多少？面试官回答：峰值1万/s。

此刻，我们得到的条件已经清晰很多，我们知道，QPS位10k，相对来说，已经算是高并发了，但是我们还需要继续确定。

这个短链系统的短链接是永久保存的吗？面试官回答：是。
生成的锻炼字符长度有要求吗？越短越好。
录入的长链接大概是多少个字符呢？有长有短。
那么，平均是多少个字符呢？假设是50个字节。

通过这些我们可以了解到，我们需要对短链接进行持久化。而到目前为止，我们可以得出一些计算：

峰值QPS为10k
一天的请求量为20k，因此，我们的系统需要为并发考虑，所以我们很可能需要用到缓存
一天为20k，那么一年就是 20k * 365 = 7300k
如果短链接生成的链接长度为 6个字符，那么一年下来，需要的磁盘大小至少是：7300k * (6 + 50) / 1024 = 399.21875M

然后我们需要了解一些常见的性能指标，这是我们需要记在脑子里的：

Nginx：能轻松的处理c100k问题，内存越大，能处理的并发量越高
Redis: https://redis.io/topics/benchmarks 表明，对于GET/SET来说，QPS 10-100k没啥大问题
MySQL: https://www.mysql.com/why-mysql/benchmarks/ 表明，对于只读，QPS 几百k没啥问题，对于写，MySQL 5.7 QPS 100k 几乎是上限
PG: https://www.percona.com/blog/2017/01/06/millions-queries-per-second-postgresql-and-mysql-peaceful-battle-at-modern-demanding-workloads/ 也是差不多

这些数据是不准确的，因为：

和怎么用关系很大
和硬件配置关系很大

但是我们心里还是要有个大概印象。

现在我们就可以知道了，这个短链系统，并发是10k/s，但是我们还漏掉了一个问题，就是没有明确是读的QPS是10k还是写，还是读+写。这个时候我们仍然可以向面试官提问。但是，不论读还是写，QPS为10k，只要硬件配置过得去，不加缓存也ok。但是通常来说，我们还是会选择加上，原因很简单：此刻都有QPS都有10k，保不准半年之后更高了。

到此为止，我们已经知晓了解决系统设计题的一个大概思路流程，但是这远远不够，因为系统设计题对知识的广度要求也很高，因此这里我还会提供一些常见的知识，希望能够对大家有所帮助。

常见知识

最简单粗暴也是实践中最常用的应对方案就是：升级机器、加机器(所以架构的时候要考虑好水平扩展)
大多数应用都是读大于写，解决方案很简单：加缓存+读写分离
对于写大于读的方案，见 (关系型)数据库优化总结
Nginx：能轻松的处理c100k问题，内存越大，能处理的并发量越高
Redis: https://redis.io/topics/benchmarks 表明，对于GET/SET来说，QPS 10-100k没啥大问题
MySQL: https://www.mysql.com/why-mysql/benchmarks/ 表明，对于只读，QPS 几百k没啥问题，对于写，MySQL 5.7 QPS 100k 几乎是上限
PG: https://www.percona.com/blog/2017/01/06/millions-queries-per-second-postgresql-and-mysql-peaceful-battle-at-modern-demanding-workloads/ 也是差不多
B, M, G, T, PB之间的关系换算要清楚
需要长时间处理的任务或者是强依赖网络(而网络不确定性大的问题)，妥妥的用队列，例如消息推送
性能优化套路：加机器 - 加缓存 - 优化数据库索引 - 垂直拆数据库表 - 水平拆数据库表 - 垂直分库 - 水平分库

此外欢迎读者提供更多常见知识我收录到此处。

练习题

设计一个短链接系统
设计一个压测工具
设计一个分布式ID生成器
设计一个论坛
设计一个微博