system-design-primer 系统设计面试题

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关键词：分布式、高并发、系统设计、面试

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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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