Systemdesign i en nutshell

Låt oss börja. Jag hade den här artikeln i mitt huvud i 2 år och skrev aldrig den, orolig att den inte skulle vara perfekt. Teknologin landskapet är ständigt förändras och utvecklas, och de verktyg du använder idag kan vara föråldrade 5 år senare. Det är därför jag skriver ner kärnkonceptet systemdesign här. Vi kan alltid finjustera det baserat på vår infrastruktur och krav. Om jag stöter på en annan ram, kommer jag att skriva det som en uppföljare till denna korrespondens. Systemdesign är en viktig del av mjukvaruutveckling. Du måste ha en 30 000 fot syn innan du gräver in i detaljer. Allmänna programmeringsspråk kan användas överallt, men du måste först veta var du ska använda den och hur man använder den. Följande är de viktiga stegen jag stötte på under min forskning (några ämnen kommer inte att förklaras i detalj eftersom de förtjänar sin egen artikel): UX Design & Komponenter Eftersom du troligen inte kommer att utveckla CLI är det viktigt att ha ett bra UX-UI. Du måste känna till de viktiga komponenterna och sedan förbättra dem när du går framåt. En Twitter-klon kommer att ha en komponent där tweets skapas. Den kommer att ha användarprofiler, följare, sekretessinställningar etc. En Uber-klon kommer att ha kartintegration. Chattbudbärare som WhatsApp kommer att ha person-till-person-meddelanden och gruppmeddelanden, vidarebefordran och delningsalternativ etc. Alla sociala medier appar kommer att falla under ett paraply, alla video streaming plattformar / OTT i en annan, och alla film bokning / bokning appar kommer att falla under en annan. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ TWITTER CLONE UI COMPONENTS ║ ╠═════════════════════════════════════╣ │ APPLICATION UI │ ├─────────────────────────────────────┤ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │ │ Profile │ │ Tweet │ │ │ │Component │ │Component │ │ │ └──────────┘ └──────────┘ │ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │ │ Settings │ │ Messages │ │ │ │Component │ │Component │ │ │ └──────────┘ └──────────┘ │ └─────────────────────────────────────┘ Klasser / Underklasser Om du tänker på en objektinriktad design är det lättare om du listar alla de olika klasser som du kan behöva i din systemdesign. Detta hjälper till att ta bort alla objekt, och sedan kan du fortsätta att definiera metoder som hör till dessa klasser. Till exempel kommer en Twitter-klon att ha en klass "Användarprofiler" med attribut som "Namn", "Placering" etc. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ OBJECT-ORIENTED CLASS DESIGN ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌─────────────────┐ │ User │ ├─────────────────┤ │ - name │ │ - location │ │ - email │ ├─────────────────┤ │ + post() │ │ + follow() │ └────────┬────────┘ │ ┌────────┴────────┐ │ │ ┌───▼────┐ ┌─────▼───┐ │Premium │ │ Basic │ │ User │ │ User │ └────────┘ └─────────┘ Design Patterns När du har klassdesignen kan du sedan välja ett lämpligt designmönster som passar dina behov. Till exempel, om din applikation har ett nyhetsflöde kan du överväga Publisher-Subscriber-designmönstret. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ PUBLISHER-SUBSCRIBER PATTERN ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌──────────────┐ │ Publisher │ │ (News Feed) │ └──────┬───────┘ │ │ publish() │ ┌───▼────────────────┐ │ Message Broker │ └───┬────────────────┘ │ │ notify() │ ┌───┴───┬───────┬────────┐ │ │ │ │ ┌──▼──┐ ┌──▼──┐ ┌──▼──┐ ┌───▼─┐ │Sub1 │ │Sub2 │ │Sub3 │ │Sub4 │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ CDN/Serverless och API/Cache CDN is used to host static HTML content with lower latency. You can incorporate it in your infrastructure to reduce response time. You can reduce costs by using serverless architecture for simple grunt work, automation, or cron jobs. APIs help a lot in connecting disconnected systems and enabling segregation of concerns. Cache helps store temporary data, but the catch is that cache memory is the most expensive type of memory. So, you must have an optimized cache strategy. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ CDN/SERVERLESS/API/CACHE STACK ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌─────────┐ │ Client │ └────┬────┘ │ ▼ ┌─────────────┐ ┌──────────┐ │ CDN │◄───│ Static │ │ (Static) │ │ Content │ └────┬────────┘ └──────────┘ │ ▼ ┌─────────────┐ ┌──────────┐ │ Cache │◄───│ Hot │ │ │ │ Data │ └────┬────────┘ └──────────┘ │ ▼ ┌─────────────┐ ┌──────────┐ │ API │◄───│Serverless│ │ Gateway │ │Functions │ └────┬────────┘ └──────────┘ │ ▼ ┌─────────────┐ │ Backend │ │ Server │ └─────────────┘ Eventuell konsistens vs. transaktionell konsistens In eventual consistency, you can expect some delay in the transaction being considered "written." This is used in applications where a little delay may not affect the overall application. For example, a WhatsApp message may be delivered with a delay of 2-3 seconds, and that should not impact the overall user experience. You can use a NoSQL database to achieve this. In transactional consistency, you want the transaction to be committed instantly. For example, in a money transfer application, you want the money transferred immediately to reduce the risks of double spending. You can use a relational database to achieve this. ╔═════════════════════════════════════════════════════════════╗ ║ EVENTUAL vs TRANSACTIONAL CONSISTENCY ║ ╚═════════════════════════════════════════════════════════════╝ EVENTUAL CONSISTENCY TRANSACTIONAL CONSISTENCY ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ │ Write Request │ │ Write Request │ └────────┬─────────┘ └────────┬─────────┘ │ │ ▼ ▼ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ NoSQL │ │ SQL │ │ DB │ │ DB │ └────┬────┘ └────┬────┘ │ │ ┌────▼────┐ ┌────▼────┐ │ Delay │ │Immediate│ │ 2-3 sec │ │ Commit │ └────┬────┘ └────┬────┘ │ │ ▼ ▼ [Eventually [Immediately Consistent] Consistent] Evenemang Handling Händelsehantering är viktigt när du har olika komponenter som försöker prata med varandra.Från inledningen av begäran till uppfyllandet av svaret måste du tydligt veta vilka rutter datapaketen kommer att ta. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ EVENT HANDLING FLOW ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌──────────┐ Event ┌──────────┐ │Component │─────────────►│ Event │ │ A │ Fired │ Queue │ └──────────┘ └─────┬────┘ │ ┌─────▼─────┐ │ Handler │ └─────┬─────┘ │ ┌───────────┼───────────┐ │ │ │ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐ │Comp B │ │Comp C │ │Comp D │ └───────┘ └───────┘ └───────┘ SQL/NoSQL och Polyglot Persistence I distribuerade SQL-system prioriterar du vanligtvis konsistens över tillgänglighet under nätverkspartitioner. NoSQL-databaser kan användas för att lagra halvstrukturerade data, nyckelvärdepar, bilder och videor. Graph-databaser och sökmotordatabaser ingår också i NoSQL-databaser. I distribuerade NoSQL-system prioriterar du vanligtvis tillgänglighet och partitionstolerans och accepterar eventuell konsistens. Enligt CAP-teoremen, i ett distribuerat system som upplever nätverkspartitioner, måste du välja mellan konsistens och tillgänglighet. Om du behöver en kombination av SQL och NoSQL-databaser kallar vi det polyglotpersistens. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ SQL/NoSQL/POLYGLOT PERSISTENCE ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌─────────────────────────────────────┐ │ Application Layer │ └──────────────┬──────────────────────┘ │ ┌───────┴────────┐ │ │ ┌──────▼──────┐ ┌─────▼────────────┐ │ SQL │ │ NoSQL │ │ Database │ │ Database │ ├─────────────┤ ├──────────────────┤ │ - ACID │ │ - Key-Value │ │ - Structured│ │ - Document │ │ - CA (CP) │ │ - Graph │ │ │ │ - AP │ └─────────────┘ └──────────────────┘ └────────┬────────┘ │ POLYGLOT PERSISTENCE Client-Side vs. Server-Side Datalagring Ibland använder appen lagringen på den mobila enhet som den är installerad på. Till exempel sparas WhatsApp-meddelanden på den lokala lagringen på din smartphone, med valfri molnbaserad säkerhetskopiering. Ibland lagras alla data på servrarna.Till exempel sparas alla meddelanden i Facebook Messenger på Facebooks servrar. Innan du startar utvecklingscykeln måste du tydligt definiera vilka komponenter som skulle använda serverns resurser och vilka som skulle använda enhetens lokala resurser. ╔═══════════════════════════════════════════════════╗ ║ CLIENT-SIDE vs SERVER-SIDE STORAGE ║ ╚═══════════════════════════════════════════════════╝ CLIENT-SIDE SERVER-SIDE ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ Mobile │ │ Server │ │ Device │ │ Cluster │ ├──────────────┤ ├──────────────┤ │ ┌──────────┐ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ WhatsApp │ │ │ │ Facebook │ │ │ │ Messages │ │ │ │Messenger │ │ │ │ (Local) │ │ │ │ Messages │ │ │ └──────────┘ │ │ └──────────┘ │ │ │ │ │ │ + Optional │ │ + Backup │ │ Cloud │ │ + Sync │ │ Backup │ │ + Access │ └──────────────┘ └──────────────┘ Optimerade datastrukturer Varje rad kod som du skriver beskattar servern. Ju mer skatten, desto mer måste du betala för att upprätthålla den. Därför är det bra att skriva optimerad programkod och använda datastrukturer som har lägre tid och rymdkomplexiteter. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ OPTIMIZED DATA STRUCTURES ║ ╚═════════════════════════════════════╝ Data Structure Complexity O(1) ───────── Best (Hash Table) O(log n) ────── Good (Binary Tree) O(n) ───────── Acceptable (Array) O(n²) ───────── Poor (Nested Loops) O(2ⁿ) ───────── Worst (Exponential) ┌─────────────────────────────┐ │ Choose Lower Complexity │ │ = Less Server Tax │ │ = Lower Costs │ └─────────────────────────────┘ Sekretessinställningar Användare av din ansökan måste ha alternativ för att skydda sig på internet. Du måste ha bra integritetsalternativ. Till exempel, i WhatsApp, kan du dölja din profilbild, läsa kvitton, och senast sett. +-----------------------------------------+ | PRIVACY SETTINGS | +-----------------------------------------+ +-----------------------------------------+ | User Privacy Panel | +-----------------------------------------+ | [ ] Show Profile Photo | | [X] Hide Last Seen | | [X] Hide Read Receipts | | [ ] Show Online Status | | [X] Block User | | | | [Save Settings] | +-----------------------------------------+ efterlevnad Din app måste uppfylla de nödvändiga bestämmelserna. Till exempel: If your application handles Protected Health Information (PHI) for covered entities, it should be HIPAA compliant. If your application is being launched in the EU, it should be GDPR compliant. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ COMPLIANCE REQUIREMENTS ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌──────────────────────────────────┐ │ Your Application │ └────────────┬─────────────────────┘ │ ┌──────┴──────┐ │ │ ┌─────▼─────┐ ┌────▼──────┐ │ HIPAA │ │ GDPR │ │Compliance │ │Compliance │ ├───────────┤ ├───────────┤ │ Medical │ │ EU │ │ PHI │ │ Privacy │ │ Protected │ │ Rules │ └───────────┘ └───────────┘ Säkerhetsaspekter Medan säkerhet är ett mycket brett ämne måste du i din inledande analys överväga skydd mot spam och DDoS. Du måste ha rätt IAM-struktur och starka lösenordspolicyer. Du måste också överväga att ha 2FA aktiverat för extra säkerhet. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ SECURITY LAYERS ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌───────────────────────────────────┐ │ Security Layers │ ├───────────────────────────────────┤ │ Layer 5: 2FA Authentication │ ├───────────────────────────────────┤ │ Layer 4: IAM & Access Control │ ├───────────────────────────────────┤ │ Layer 3: DDoS Protection │ ├───────────────────────────────────┤ │ Layer 2: Spam Filtering │ ├───────────────────────────────────┤ │ Layer 1: Password Policy │ └───────────────────────────────────┘ Tjänster som finns tillgängliga inom området för utplacering Som rubriken antyder måste alla tjänster du överväger vara tillgängliga i den geografiska region där du planerar att lansera din app. Till exempel, om du planerar att lansera en app i Kina, bör du inte överväga en Facebook API i din applikationsdesign eftersom det inte skulle fungera. +---------------------------------------+ | GEOGRAPHICAL SERVICE AVAILABILITY | +---------------------------------------+ GLOBAL SERVICE MAP +--------------+ +--------------+ | USA | | China | +--------------+ +--------------+ | [+] Facebook | | [-] Facebook | | [+] Google | | [-] Google | | [+] AWS | | [+] Alibaba | | [+] WhatsApp | | [+] WeChat | +--------------+ +--------------+ Check Service Availability Before Launch! Kostnadsanalys Utan att kompromissa med effektivitet och prestanda bör du sänka kostnaderna så mycket som möjligt. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ COST OPTIMIZATION ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌────────────────────────────────────┐ │ Cost Optimization │ ├────────────────────────────────────┤ │ │ │ Open Source >>> Proprietary │ │ (Lower Cost) (Higher Cost) │ │ │ │ Serverless >>> Always-On │ │ (Pay per use) (Fixed Cost) │ │ │ │ Cache >>> DB Query │ │ (Expensive) (Cheaper) │ │ │ └────────────────────────────────────┘ Balance Cost vs Performance On-Prem/Cloud och Hybrid Bestäm om dina data kommer att bo on-prem, helt på molnet, eller delvis moln och delvis på-prem (hybrid). ╔═════════════════════════════════════╗ ║ DEPLOYMENT OPTIONS ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌──────────────────────────────────────┐ │ Deployment Options │ └───────────┬──────────────────────────┘ │ ┌───────┼───────┐ │ │ │ ┌───▼───┐ ┌─▼────┐ ┌▼──────┐ │On-Prem│ │Cloud │ │Hybrid │ ├───────┤ ├──────┤ ├───────┤ │Local │ │ AWS │ │On-Prem│ │Servers│ │Azure │ │ + │ │ Data │ │ GCP │ │ Cloud │ │Center │ │ │ │ Mix │ └───────┘ └──────┘ └───────┘ │ ┌───▼────┐ │ VPC │ └────────┘ Horisontell skalning / Vertical Scaling & Load Balancers I horisontell skalning placerar du repliker av den aktuella DB-servern/appservern och använder en belastningsbalansering för att balansera trafiken mellan dessa instanser. I vertikal skalning förbättrar du instansens systemkonfiguration. Det finns en viss gräns för vad du kan förbättra. Det finns andra överväganden också - till exempel om du ökar beräkningen måste du öka RAM-minnet i enlighet därmed. En klok satsning skulle vara att ha en rättvis blandning av horisontell och vertikal skalning. Lastbalansers används för att balansera trafik mellan olika instanser. Lastbalansers hjälper till att minska systemstopp. +-------------------------------------------------------------+ | HORIZONTAL & VERTICAL SCALING WITH LOAD BALANCERS | +-------------------------------------------------------------+ HORIZONTAL SCALING VERTICAL SCALING +---------------+ +---------------+ | Load Balancer | | Upgrade | +-------+-------+ | CPU + RAM | | +-------+-------+ | | +-------------+-------------+ | | | | | v v v (and v) v +---+ +---+ +---+ +---------------+ |DB1| |DB2| |DB3|... | Powerful | +---+ +---+ +---+ | Server | +---------------+ Add more servers Improve single server Kundförvärv och kundbevarande Inkludera analyser som funnel analytics och A / B-testning för att förbättra din kundbas. ╔═════════════════════════════════════╗ ║ CUSTOMER ACQUISITION & RETENTION ║ ╚═════════════════════════════════════╝ ┌─────────────────────────────────────┐ │ Analytics Funnel │ ├─────────────────────────────────────┤ │ │ │ 1000 Users ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │ │ │ │ │ 500 Signups ▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │ │ │ │ │ 200 Active ▓▓▓▓ │ │ │ │ │ 100 Paid ▓▓ │ │ │ ├─────────────────────────────────────┤ │ A/B Testing │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │Version A│ │Version B│ │ │ │ 50% │ │ 50% │ │ │ └────┬────┘ └─────┬───┘ │ │ └──────┬────────┘ │ │ Compare │ └─────────────────────────────────────┘ Sammanfattning av: ================================ SYSTEM DESIGN IN A NUTSHELL 17 Core Concepts ================================ START HERE | ↓ 1. UX DESIGN & COMPONENTS → Design UI elements → Profile, messages, feeds | ↓ 2. CLASSES & SUBCLASSES → Define objects → User profiles with attributes | ↓ 3. DESIGN PATTERNS → Publisher-Subscriber → For news feeds | ↓ 4. INFRASTRUCTURE STACK → CDN for static content → Serverless functions → API Gateway → Cache strategy | ↓ 5. CONSISTENCY MODELS → Eventual (NoSQL) → Transactional (SQL) | ↓ 6. EVENT HANDLING → Request to response → Data packet routes | ↓ 7. DATABASE STRATEGY → SQL: Structured data → NoSQL: Key-value, docs → CAP Theorem considerations → Polyglot Persistence | ↓ 8. DATA STORAGE → Client-side (local) → Server-side (cloud) → Hybrid approach | ↓ 9. OPTIMIZED DATA STRUCTURES → Lower time complexity → Lower space complexity → Reduce server tax | ↓ 10. PRIVACY SETTINGS → Hide profile info → Block users → Read receipts control | ↓ 11. COMPLIANCE → HIPAA for medical PHI → GDPR for EU users | ↓ 12. SECURITY LAYERS → DDoS protection → IAM structure → 2FA authentication → Password policies → Spam filtering | ↓ 13. GEOGRAPHICAL SERVICES → Check availability → Regional restrictions → Example: Facebook in China | ↓ 14. COST OPTIMIZATION → Open source frameworks → Serverless options → Balance cost vs performance | ↓ 15. DEPLOYMENT OPTIONS → On-Premises → Cloud (AWS/Azure/GCP) → Hybrid approach → VPC considerations | ↓ 16. SCALING STRATEGIES → Horizontal: Add replicas → Vertical: Upgrade config → Load balancers → Mix both approaches | ↓ 17. CUSTOMER ANALYTICS → Funnel analytics → A/B testing → Acquisition & retention ================================ KEY TAKEAWAYS ================================ ★ 30,000 ft view first ★ Design before coding ★ Consider all 17 aspects ★ Balance trade-offs ★ Optimize for scale ★ Security & compliance ★ Cost-effective choices ================================ Denna ram kommer också att hjälpa dig att klargöra inledande nivå systemdesign intervju frågor på någon topp MNC. När jag började skriva den här artikeln, jag hade mycket mer i mitt sinne. jag var tvungen att trimma innehållet eftersom många av de begrepp som nämns här kan förklaras i separata artiklar. Tack för att du läser.Håll utkik. Om du har några frågor, var snäll och skicka mig ett mail. Du kan också kontakta mig via Linkedin. Du kan också följa mig på X e-post e-post Linköping Linköping X X

Systemdesign i en nutshell

About Author

KOMMENTARER

HÄNG TAGGAR

DENNA ARTIKEL PRESENTERAS I

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps