Мастер-шаблон для проектирования системы: ваша дорожная карта для успешного прохождения собеседования!
Начинающие инженеры-программисты и разработчики часто сталкиваются со сложными вопросами проектирования систем во время собеседований в ведущих технологических компаниях. Интервью по проектированию системы по своей природе неструктурировано, что затрудняет сохранение фокуса и обеспечение охвата всех основных аспектов дизайна.
Чтобы помочь вам успешно пройти следующее собеседование, я составил список из пяти основных концепций системного проектирования, которые могут иметь решающее значение. В этой статье эти понятия будут разбиты на простейшие термины, рассмотрены их сложности и предоставлены примеры и ресурсы, которые помогут вам хорошо подготовиться. К концу этой статьи у вас будет целостное понимание этих важнейших концепций и уверенность в себе, чтобы применять их во время вашего следующего собеседования.
Итак, давайте погрузимся в эти революционные концепции и поможем вам легко пройти собеседование!
1.) Кэширование
Кэширование — это практика временного хранения часто используемых данных в высокоскоростной системе хранения (кеше) для уменьшения задержки и повышения производительности. Кэш — это уровень высокоскоростного хранилища, который находится между приложением и исходным источником данных, таким как база данных, файловая система или удаленная веб-служба. Кэши могут быть реализованы на различных уровнях, включая браузер, сети доставки контента (CDN), серверы приложений или базы данных.
Существует несколько стратегий кэширования, таких как наименее использовавшиеся (LRU), наиболее недавно использовавшиеся (MRU) и время жизни (TTL). Понимание этих стратегий и того, как реализовать их в дизайне вашей системы, жизненно важно для оптимизации производительности и снижения ненужной нагрузки на ваши серверы. Кэширование может выполняться в нескольких местах, например, клиент, DNS, CDN, балансировщик нагрузки, шлюз API, сервер, база данных и т. д.
Чтобы узнать больше о кэшировании, прочтите это руководство Объяснение кэширования.
2.) Балансировка нагрузки
Балансировка нагрузки распределяет входящий сетевой трафик между несколькими серверами, чтобы ни один из серверов не был перегружен слишком большим трафиком. Это помогает поддерживать высокую доступность, отказоустойчивость и оптимальную производительность.
При проектировании системы важно выбрать подходящий метод балансировки нагрузки, исходя из ваших требований, учитывая такие факторы, как задержка, пропускная способность и характер рабочей нагрузки.
Балансировка нагрузки может быть достигнута с помощью различных методов, таких как Round Robin, Least Connections и IP Hash.
- Круговой алгоритм. Запросы распределяются последовательно и равномерно по всем доступным серверам циклическим образом.
- Наименьшее количество подключений. Балансировщик нагрузки назначает запросы серверу с наименьшим количеством активных подключений, отдавая приоритет менее загруженным серверам.
- Хэш IP-адреса. IP-адрес клиента хешируется, и полученное значение используется для определения того, на какой сервер должен быть направлен запрос. Этот метод гарантирует, что запросы конкретного клиента всегда направляются на один и тот же сервер, помогая поддерживать постоянство сеанса.
Подробный обзор балансировки нагрузки см. в этом Руководстве по балансировке нагрузки.
3.) Архитектура микросервисов
Архитектура микросервисов — это шаблон проектирования, который структурирует приложение как набор небольших автономных сервисов, каждый из которых отвечает за определенную функциональность. Эти сервисы взаимодействуют через API и могут разрабатываться, развертываться и масштабироваться независимо друг от друга. Архитектура микросервисов предлагает различные преимущества, такие как повышенная гибкость, масштабируемость и изоляция сбоев.
Однако внедрение архитектуры микросервисов также создает сложности, такие как увеличение операционных издержек, координация услуг и необходимость надежного управления API. Понимание того, когда и как внедрять архитектуру микросервисов, имеет решающее значение для проектирования крупномасштабных систем.
Основные характеристики микросервисов:
- Связь. Микросервисы взаимодействуют друг с другом с помощью упрощенных протоколов, таких как HTTP/REST, gRPC или очереди сообщений. Это способствует функциональной совместимости и упрощает интеграцию новых услуг или замену существующих.
- Единая ответственность. Каждая микрослужба фокусируется на определенной функциональности или домене в соответствии с принципом единой ответственности. Это упрощает понимание, разработку и обслуживание сервисов.
- Независимость. Микросервисы можно разрабатывать, развертывать и масштабировать независимо друг от друга. Это обеспечивает повышенную гибкость и динамичность процесса разработки, поскольку команды могут работать над разными службами одновременно, не затрагивая всю систему.
- Отказоустойчивость. Поскольку микросервисы независимы, сбой в одном сервисе не обязательно приводит к сбою всей системы. Это может помочь повысить общую отказоустойчивость приложения.
- Децентрализованный. Микросервисы обычно децентрализованы, и каждый сервис владеет своими данными и бизнес-логикой. Это способствует разделению интересов и позволяет командам принимать решения и выбирать технологии, которые наилучшим образом соответствуют их конкретным требованиям.
Чтобы узнать больше о микросервисах, обратитесь к этому всеобъемлющему Руководству по микросервисам.
4.) Разделение данных
Разбиение данных на разделы является важной концепцией проектирования системы, особенно в распределенных системах, которая включает в себя разбиение большого набора данных на более мелкие, более управляемые фрагменты, также известные как разделы или осколки. Основная цель разделения данных — улучшить масштабируемость, производительность и удобство обслуживания систем за счет распределения данных по нескольким узлам или устройствам хранения. Такой подход позволяет системам обрабатывать растущий объем данных и пользователей, обеспечивая высокую доступность и уменьшая задержку запросов.
Существует три основных типа секционирования данных: горизонтальное секционирование, вертикальное секционирование и функциональное секционирование.
a.) Горизонтальное разбиение (сегментирование):
При горизонтальном разделении набор данных делится на меньшие непересекающиеся подмножества на основе определенного атрибута, например диапазона значений или хеш-функции. Каждый раздел или сегмент содержит часть данных и хранится на отдельном узле или устройстве хранения. Этот подход позволяет выполнять параллельную обработку, поскольку несколько узлов могут одновременно обрабатывать разные сегменты, что приводит к повышению производительности и масштабируемости.
Например, рассмотрим платформу социальных сетей с миллионами пользователей. Платформа может горизонтально разбивать свои пользовательские данные на основе идентификаторов пользователей, при этом каждый сегмент содержит диапазон идентификаторов пользователей и соответствующие им данные. По мере роста числа пользователей платформа может добавлять больше сегментов и узлов для распределения рабочей нагрузки и поддержания оптимальной производительности.
Однако горизонтальное разделение также имеет свои проблемы, такие как необходимость эффективных стратегий распределения данных и обработка транзакций между сегментами.
б.) Вертикальное разделение:
Вертикальное разбиение предполагает разделение набора данных на основе столбцов или атрибутов, а не строк. Каждый раздел или сегмент содержит подмножество атрибутов для всех строк в наборе данных. Вертикальное секционирование часто используется при частом совместном доступе к определенным атрибутам, поскольку оно позволяет системе считывать только необходимые данные, уменьшая объем операций ввода-вывода и повышая производительность запросов.
Например, платформа электронной коммерции может иметь большую базу данных продуктов с многочисленными атрибутами, такими как идентификатор продукта, имя, описание, цена и изображения. Если пользователи обычно ищут продукты, основываясь на их названиях и ценах, платформа может разделить базу данных по вертикали, сохраняя названия продуктов и цены в одном сегменте, а остальные атрибуты — в другом. Такой подход минимизирует объем данных, считываемых во время поисковых запросов, и повышает производительность.
c.) Функциональное разделение:
Функциональное разделение включает в себя разделение данных на основе их функциональности или шаблона использования. При таком подходе данные разделяются на отдельные базы данных или службы, каждая из которых отвечает за определенную бизнес-функцию. Функциональное разделение способствует модульности, позволяя независимо масштабировать и обслуживать каждую функциональную единицу.
Например, интернет-магазин может иметь отдельные функциональные разделы для аутентификации пользователей, каталога продуктов, управления заказами и обработки платежей. Каждый раздел управляет своими данными независимо, что позволяет системе масштабировать и развивать каждый функциональный блок по мере необходимости.
5.) Шлюз API
Шлюз API — это сервер или служба, выступающая в роли посредника между внешними клиентами и внутренними микрослужбами или внутренними службами приложения на основе API. Он предназначен для упрощения управления несколькими API, выступая в качестве обратного прокси-сервера, объединяя службы, необходимые для обработки клиентских запросов. В этой статье представлен подробный обзор шлюза API, обсуждаются его основные функции, преимущества и основные функции.
Основные функции шлюза API:
- Маршрутизация запросов. Шлюз API получает запросы API от клиентов, направляет их в соответствующие микросервисы и объединяет ответы, прежде чем вернуть их клиенту. Он использует предопределенные правила, чтобы определить, какая служба должна обрабатывать входящий запрос, упрощая взаимодействие с клиентом, предоставляя единую точку входа для нескольких служб.
- Аутентификация и авторизация. Безопасность является главным приоритетом в любой распределенной системе. Шлюзы API помогают гарантировать, что только авторизованные клиенты могут получить доступ к определенным службам, проверяя учетные данные пользователя и токены. Они могут снять с микросервисов обязанности по проверке подлинности и авторизации, позволяя разработчикам сосредоточиться на реализации основной бизнес-логики.
- Ограничение скорости и регулирование. Чтобы защитить систему от чрезмерной нагрузки, шлюз API может применять ограничения скорости для входящих запросов на основе IP-адреса клиента, ключа API или других атрибутов. Это помогает поддерживать стабильность системы и не позволяет отдельным клиентам потреблять слишком много ресурсов.
- Преобразование запросов и ответов. Шлюзы API могут изменять входящие запросы или исходящие ответы в соответствии с предопределенными правилами. Сюда могут входить такие задачи, как добавление, изменение или удаление заголовков, преобразование между форматами данных (например, XML в JSON) и проверка полезной нагрузки запроса на соответствие схеме.
- Журналирование и мониторинг. Действуя как центральная точка входа для запросов API, шлюзы API могут регистрировать и отслеживать весь входящий и исходящий трафик, предоставляя информацию о производительности системы и облегчая устранение неполадок.
Последние мысли
Что ж, вот 5 концепций проектирования систем, которые вы должны знать перед собеседованием. Повысьте свои шансы на успех на собеседованиях по проектированию систем, изучив обсуждаемые принципы проектирования систем и попробовав использовать их в своих проектах.
Продолжайте учиться и практиковаться, и не забудьте поделиться этой статьей на Medium, чтобы помочь другим пройти собеседование по проектированию систем! Благодаря самоотверженности и настойчивости вы обязательно произведете неизгладимое впечатление в мире разработки программного обеспечения.
Удачного кодирования и удачи на собеседованиях!
Повышение уровня кодирования
Спасибо, что являетесь частью нашего сообщества! Перед тем, как ты уйдешь:
- 👏 Хлопайте за историю и подписывайтесь на автора 👉
- 📰 Смотрите больше контента в публикации Level Up Coding
- 💰 Бесплатный курс собеседования по программированию ⇒ Просмотреть курс
- 🔔 Подписывайтесь на нас: Twitter | ЛинкедИн | "Новостная рассылка"
🚀👉 Присоединяйтесь к коллективу талантов Level Up и найдите прекрасную работу
