一、簡(jiǎn)介

這份綜合指南將引導(dǎo)你掌握在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取得成功所需的基本概念。

二、垂直和水平擴(kuò)展

1. 垂直擴(kuò)展

系統(tǒng)擴(kuò)展的最直接方式是通過垂直擴(kuò)展。這涉及升級(jí)現(xiàn)有服務(wù)器，例如增加更多的RAM或更快的CPU。

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垂直擴(kuò)展通常是處理用戶負(fù)載增加的快速解決方案。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這并不是最有效的擴(kuò)展方式。

2. 水平擴(kuò)展

更高效的方法是水平擴(kuò)展。在這種情況下，會(huì)添加服務(wù)器的副本，使每個(gè)副本處理一部分請(qǐng)求。

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這比垂直擴(kuò)展更為健壯，它帶來兩個(gè)關(guān)鍵的好處：

• 無(wú)限擴(kuò)展性：你可以不斷添加服務(wù)器。
• 可靠性：如果一個(gè)服務(wù)器失敗，其他服務(wù)器可以繼續(xù)處理請(qǐng)求，減輕單點(diǎn)故障問題。

3. 負(fù)載均衡

為了防止服務(wù)器超載并有效地分發(fā)流量，負(fù)載均衡至關(guān)重要。

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負(fù)載均衡器將入站用戶請(qǐng)求分配到多個(gè)服務(wù)器上，防止任何一個(gè)服務(wù)器成為瓶頸。

(1) 算法

負(fù)載均衡器使用各種算法來分發(fā)流量：

• 最少連接：將流量發(fā)送到具有最少打開連接的服務(wù)器。
• 基于資源：根據(jù)可用資源選擇服務(wù)器。
• IP哈希：根據(jù)源和目標(biāo)IP地址的哈希將流量分配給服務(wù)器。
• 輪詢：按順序在服務(wù)器列表上分發(fā)流量。
• 自定義腳本：你還可以編寫根據(jù)需要定制的自定義算法。

(2) 技術(shù)

負(fù)載均衡的常見方法包括：

• 專業(yè)軟件：你可以使用像 Nginx 這樣的軟件，或者使用 AWS Elastic Load Balancing 等服務(wù)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。
• 基于DNS：通過為域分配多個(gè)IP，使用DNS本身作為簡(jiǎn)單的負(fù)載均衡器。然而，這種方法提供的定制性較少。

4.緩存

在系統(tǒng)中瓶頸通常不是Web服務(wù)器而是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。緩存涉及臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通常在計(jì)算機(jī)的RAM中，以便在減輕數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載的同時(shí)更快地服務(wù)未來的請(qǐng)求。

(1) 技術(shù)

為了實(shí)施緩存，你需要根據(jù)特定要求從一系列可用的軟件選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，例如 Redis、Nginx、Memcached 或 Cassandra。

(2) 緩存失效

為了保持緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)同步，可以使用各種緩存失效策略。選擇正確的算法確保你的緩存既有效又高效。常見的算法有：

• 寫穿透緩存： 先更新緩存，然后更新數(shù)據(jù)庫(kù)。
• 寫回緩存： 先更新緩存，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)同步。

(3) 但緩存在哪里？

緩存可以存在于應(yīng)用程序架構(gòu)的不同級(jí)別，包括：

• 客戶端： 在瀏覽器的緩存中。
• 服務(wù)器端： 使用像Redis或Memcached這樣的軟件。
• 數(shù)據(jù)庫(kù)： 通過在諸如MySQL的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行查詢緩存。

5. 內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)（CDN）

通過內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)另一層次的緩存。CDN是分布在多個(gè)地理位置的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，用于存儲(chǔ)和提供Web內(nèi)容，如圖像和視頻。它們?cè)诙鄠€(gè)地理位置存儲(chǔ)您內(nèi)容的緩存副本。

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CDN通常以以下幾種方式設(shè)置：

• 拉取式： CDN在首次用戶請(qǐng)求時(shí)從源服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并緩存。
• 推送式： 源服務(wù)器事先將數(shù)據(jù)推送到CDN。

知名的CDN提供商包括 Cloudflare、Google Cloud CDN、Amazon CloudFront 和 Microsoft Azure CDN。

6. API設(shè)計(jì)

(1) API設(shè)計(jì)充

當(dāng)客戶端和服務(wù)器之間的契約。在設(shè)計(jì)API時(shí)，考慮以下關(guān)鍵因素：

• API類型：在設(shè)計(jì)API時(shí)，首先決定類型：RESTful、GraphQL或gRPC。
• 通信協(xié)議：HTTP、WebSockets等。
• 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制：JSON、XML或協(xié)議緩沖區(qū)。
• 安全性：考慮采取措施防范字典攻擊、XSS、CSRF、HPP攻擊，并使用速率限制。
• 查詢和排序：如何檢索和排序數(shù)據(jù)？
• 分頁(yè)：不要在一個(gè)請(qǐng)求中獲取所有數(shù)據(jù)，你需要分頁(yè)。
• 性能：優(yōu)化應(yīng)用程序的初始加載時(shí)間。
• 錯(cuò)誤處理：確保錯(cuò)誤是一致且信息豐富的。

(2) 服務(wù)器驅(qū)動(dòng)和客戶端驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)你的應(yīng)用程序，你可能會(huì)選擇服務(wù)器驅(qū)動(dòng)或客戶端驅(qū)動(dòng)的API設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)都提供一套自己的優(yōu)勢(shì)。

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• 服務(wù)器驅(qū)動(dòng)：適用于需要應(yīng)用商店批準(zhǔn)的移動(dòng)應(yīng)用程序發(fā)布的情況。
• 客戶端驅(qū)動(dòng)：在客戶端方面提供更大的靈活性。

三、結(jié)論

從擴(kuò)展策略和負(fù)載均衡技術(shù)到緩存和API設(shè)計(jì)的微妙之處，掌握這些領(lǐng)域可以讓你在競(jìng)爭(zhēng)中具備強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。