系统设计入门

项目动机

学习如何设计大规模分布式系统。掌握可扩展系统设计是工程师进阶的核心能力，也是众多科技公司技术面试中的必考环节。

本项目是一份持续更新的开源资源合集，致力于解决"系统设计资料散落各处、缺乏体系"的问题。内容涵盖原理、面试题解答、代码与架构图，欢迎通过 Pull Request 参与贡献。

Anki 记忆卡片

基于间隔重复算法，提供以下 Anki 卡组，帮助在通勤等碎片时间巩固关键概念：

• 系统设计卡组
• 系统设计练习卡组
• 面向对象设计练习卡组

系统设计主题索引

文档按以下结构组织，每个章节附有深入阅读链接：

起步

• 第 1 步：观看哈佛可扩展性讲座视频
• 第 2 步：阅读 Scalability 系列文章
• 接下来：理解核心权衡

核心权衡

• 性能 vs 可扩展性：性能问题表现为单用户体验慢；可扩展性问题表现为单用户快但高负载下变慢。
• 延迟 vs 吞吐量：目标是"可接受延迟下的最大吞吐量"。
• 可用性 vs 一致性：CAP 定理指出分布式系统只能在一致性、可用性、分区容错性中三选二；由于网络不可靠，分区容错必须支持，因此需在一致性与可用性之间取舍。
  • CP 系统：等待分区节点响应可能超时，适合需要原子读写的事务场景。
  • AP 系统：返回任意节点上的可用版本，适合允许最终一致性的业务。

一致性模式

• 弱一致性：写入后读可能看不到，典型如 memcached，适合 VoIP、视频通话等实时场景。
• 最终一致性：写入后读最终能看到（通常毫秒级），典型如 DNS、邮件。
• 强一致性：写入后读立即看到，数据同步复制，典型如 RDBMS、文件系统。

可用性模式

• 故障转移：分为主-备（Active-Passive，通过心跳切换）和主-主（Active-Active，双机同时承载流量）。代价是增加硬件复杂度，且主节点故障时未复制的数据可能丢失。
• 复制：与数据库章节的主从、主主复制配合使用。
• 可用性数值：业界常用"几个 9"衡量，例如 99.99%（四个 9）每年允许 downtime 约 52 分 35 秒。
  • 串联组件：总可用性 = A(Foo) × A(Bar)
  • 并联组件：总可用性 = 1 − (1 − A(Foo)) × (1 − A(Bar))

关键基础设施组件

DNS（域名系统）

将域名解析为 IP 地址，采用分层结构。常见记录类型包括 NS、MX、A、CNAME。CloudFlare、Route 53 等托管 DNS 服务支持加权轮询、基于延迟、基于地理位置的路由策略。

缺点：解析引入轻微延迟；管理复杂；历史上曾遭受 DDoS 攻击。

CDN（内容分发网络）

全球分布的代理服务器集群，让用户就近获取静态资源（HTML/CSS/JS、图片、视频）。部分 CDN（如 CloudFront）也支持动态内容。

• Push CDN：内容变更时主动推送至 CDN，适合访问量稳定的资源。
• Pull CDN：首次访问时按需回源拉取，适合访问量较低的站点。

负载均衡器

• Active-Passive：仅主节点处理流量，备节点待命。
• Active-Active：多节点同时分担流量。
• 四层负载均衡：基于网络层信息（IP、端口）转发。
• 七层负载均衡：基于应用层内容（HTTP 头、URL）转发，可实现缓存、SSL 卸载等高级策略。
• 水平扩展：通过增加机器数量提升吞吐能力。

反向代理（Web 服务器）

位于客户端与真实服务器之间，承担缓存、SSL 卸载、请求过滤、动静分离等职责。与负载均衡的区别在于：反向代理侧重单个应用的请求处理，负载均衡侧重跨多个后端的流量分配。

学习路径建议

根据面试准备时间选择深度：

准备时长	策略
短期	广度优先，做少量练习题
中期	广度 + 部分深度，做大量练习题
长期	广度 + 深度，做大部分练习题

无论时间长短，都建议通读系统设计主题、浏览目标公司工程博客与真实架构案例、复习面试答题方法。

面试答题方法论

系统设计面试是开放对话，候选人应主动引导讨论。建议四步法：

第 1 步：梳理用例、约束与假设

明确用户、规模、读写比例、数据量、QPS 等关键问题，划定讨论边界。

第 2 步：高层设计

画出主要组件与连接关系，解释设计理由。

第 3 步：设计核心组件

针对每个组件深入展开。以"短链接服务"为例：需讨论哈希生成（MD5、Base62）、冲突处理、SQL/NoSQL 选择、数据表设计、API 与面向对象设计。

第 4 步：扩展性设计

识别瓶颈，引入负载均衡、水平扩展、缓存、分库分表等手段，并讨论权衡——所有设计都是权衡。

估算技巧

面试常要求笔算估算。参考附录中的"2 的幂表"和"每个程序员都应知道的延迟数值"。

典型面试题（含解答）

文档为以下题目提供详细解答、代码与架构图：

题目	主题
Pastebin / Bit.ly	短链接生成、哈希、读写权衡
Twitter 时间线与搜索	Feed 流、推拉结合、搜索索引
网页爬虫	URL 调度、Robots、去重
Mint.com	数据聚合、ETL
社交网络数据结构	图模型、好友关系
搜索引擎 KV 存储	内存索引、分片、压缩
Amazon 销量排名	排序、缓存、实时性
AWS 上支持百万用户的系统	端到端架构演进

面向对象设计面试题（含解答）

哈希表、LRU 缓存、呼叫中心、扑克牌、停车场、在线聊天服务器、循环数组等常见题目，部分仍在完善中。

后续主题

文档后续深入探讨以下主题及其权衡：

• 数据库：RDBMS（主从/主主复制、联邦、分片、反规范化、SQL 调优）与 NoSQL（KV、文档、宽列、图数据库）的选型。
• 缓存：客户端、CDN、Web 服务器、数据库、应用、查询级、对象级缓存；更新策略包括 Cache-Aside、Write-Through、Write-Behind、Refresh-Ahead。
• 异步：消息队列、任务队列、背压机制。
• 通信：TCP、UDP、RPC、REST。
• 安全、附录（2 的幂表、延迟数值、真实架构案例、公司工程博客）。