系统设计面试完整指南

这是系统设计面试的指南。如果您是初级或高级工程师，或者正在过渡到需要深入了解系统设计的角色，那么您来对地方了。这篇文章将解释系统设计面试的重要性并帮助您在面试中取得好成绩。

系统设计面试通常涉及一个假设场景，要求您设计一个系统或其一部分。该系统可以是任何东西，从设计 Twitter 到为跨国公司创建全球缓存策略。这些访谈的目的不是用复杂的问题来吓唬您，而是评估您如何设计大型系统。您的创造力、决策能力和技术知识都会受到考验。

招聘经理很想知道您是否了解常见的设计原则和模式，是否可以设计一个在负载下可扩展且性能良好的系统，以及是否可以在业务需求的限制内工作。

系统设计与算法面试的交叉点
您可能会问："编码面试还不够吗？为什么要进行系统设计？

让我们把这比作买车的过程。当你去买车时，销售员不会只谈发动机的马力。你想知道汽车的设计、舒适度、里程数等等。同样，基于算法的面试展示的是您解决问题的能力和编码技巧，而系统设计面试展示的则是您设计综合系统以满足广泛需求的能力。

基于算法的面试通常侧重于微观层面，如数据结构和单个算法，而系统设计面试则会放大到宏观层面。通过系统设计面试，招聘经理可以了解您是否能够有效地设计和架构整个系统，并考虑多层次的复杂性，包括数据库、网络、接口等。

编码面试可能会测试你是否能在城市街道上穿梭，但系统设计面试则会检查你是否能绘制出整个城市的地图！

定义和理解系统设计
让我们先来了解一下什么是真正的系统设计。想象一下你在玩一套乐高积木。每块积木都代表着一个更大的结构（比如一座城堡）中的一个独立组成部分。你的任务是将这些积木排列起来，使其看起来像一座城堡。我的朋友，这就是系统设计的真谛--将不同的软件组件拼凑在一起，创造出一个更大、更实用的系统。

系统设计是一个定义系统架构、组件、模块、接口和数据以满足特定需求的过程。它侧重于高层次的设计，如数据结构和算法设计的选择，以及将各个子系统联系在一起的框架的引入。这就是要找到正确的部件，将它们放在正确的位置，并确保它们能顺利地协同工作。

系统设计面试的目的
既然我们已经了解了系统设计，那么系统设计面试的目的是什么呢？

系统设计面试的目的是评估你设计和组织大型系统的能力，并了解你解决问题的系统方法。他们希望了解你的思维过程、设计技能以及你对系统的宏观理解程度。请记住，这不仅仅是寻找解决方案，而是要在给定的限制条件下找到最佳解决方案。

这意味着要了解需要哪些组件、它们将如何交互、数据将如何在它们之间流动以及系统将如何扩展。面试官还希望了解您如何权衡利弊，例如在性能和简洁性之间做出选择，或者在速度和准确性之间做出选择。

招聘经理在系统设计面试中关注什么
在系统设计面试中，招聘经理不仅要寻找技术上正确的解决方案。他们希望看到你能分解复杂的问题，清晰地表达自己的想法，并做出正确的决定。

你设计可扩展、可靠系统的能力是关键，但你对业务需求、限制和权衡的理解也起着重要作用。他们需要的是不仅能解决手头问题，还能预见潜在隐患并制定相应计划的人才。

此外，沟通也是面试过程的重要组成部分。您需要清晰有效地解释您的设计过程和决策，并展示您在团队中的良好工作能力。

在系统设计面试的世界里，我们已经确定了面试的重要性并了解了面试的目的。现在，让我们深入探讨一下问题的实质：要想在面试中取得好成绩，你需要掌握哪些主题。把这些话题看作你的工具包。你掌握的工具越多，越了解如何使用它们，你就越能在系统设计面试中巧妙地应对挑战。

系统设计基础
工具包中的第一个工具是了解系统设计的基础知识。这就像学习画画一样。在绘制杰作之前，您首先需要掌握基本形状。同样，在设计复杂系统之前，您需要了解基本概念。

A.大型系统和架构：系统设计的核心是设计大型系统的能力。这些系统可以为数百万用户提供服务、处理大量数据或为企业提供关键功能。了解这些系统的架构、扩展方式以及各个组件如何协同工作是系统设计的基础。

B.关键系统设计概念：有一些关键概念支撑着系统设计。其中包括可扩展性、可靠性、可用性、一致性和负载平衡等概念。对这些概念有深入的了解将使您设计出的系统不仅满足给定的要求，而且还具有鲁棒性和弹性。

以下是关键系统设计基础的简短描述：

1. 可扩展性：就像系统的“增长能力”。可扩展性是指系统处理增加的负载和随时间增长的能力。想象一下您的系统是一辆公共汽车，随着越来越多的乘客（用户或数据）进来，您需要确保您的公共汽车能够处理它。
2. 可靠性：这是关于“可信度”。可靠的系统在指定条件下正确且一致地运行。它就像您始终可以信赖的老朋友 - 您的系统对于您的用户来说应该是一样的。
3. 可用性：这是关于“正常运行时间”。可用性是指系统在用户需要时可以访问和运行。如果您的系统是一家商店，您需要确保当顾客来访时它是开放的。
4. 一致性：这是关于“相同性”。一致性意味着系统中的数据在所有情况下在所有组件中保持相同。这就像连锁餐厅的菜单 - 您希望在所有分店提供相同的菜肴。
5. 效率：这就是“足智多谋”。高效的系统通常会使用尽可能少的资源，以最优化的方式执行其功能。可以将其视为汽车的燃油效率——行驶一段距离时使用的燃油越少，汽车的效率就越高。
6. 稳健性：这是关于“弹性”。鲁棒性是系统在执行过程中处理错误和处理错误输入的能力。就像一棵树，能经受住风雨的考验。
7. 安全：这是关于“安全”。安全性涉及保护系统免受恶意攻击和未经授权的访问。这就像你的门上有一把好锁，可以保证你的房子安全。
8. 可维护性：这是关于“易于维护”。可维护的系统的设计方式是易于更新和升级。它就像一个组织良好的工具箱 - 当需要更换工具时，可以快速完成，无需大惊小怪。
9. 模块化：这是关于“划分”。在模块化系统中，整个系统分为单独的模块，每个模块处理特定的功能。这就像一个拼图，每一块拼凑在一起形成整个图片。
10. 容错：这是关于“宽恕”。即使系统的一部分发生故障，容错系统仍能继续运行。这就像一架飞机即使一个引擎发生故障也能继续飞行。

2. 常见的系统设计模式
一旦掌握了基础知识，就可以向您的工具包添加更多工具了。这些以系统设计模式的形式出现。就像针织中的模式指导您如何创建不同类型的针迹一样，系统设计模式指导您如何解决系统设计中的常见问题。他们提供经过验证的解决方案，您可以根据自己的具体情况进行调整。

对常见系统设计模式（例如主副本、点对点、发布者-订阅者等）的深入理解将成为您面试时的显着优势。这些模式提供了您可以用来设计系统的蓝图。以下是最常见的模式：

1. 主副本：这是“领导者-跟随者”模式。主服务器处理所有写入操作并更新处理读取操作的副本服务器。如果主服务器发生故障，其中一个副本将成为新的主服务器。这就像一个拥有领导者和追随者的团队，确保始终有备用计划。
2. 点对点（P2P）：将其视为“一群朋友”。在这种模式下，网络中的所有节点平等参与，直接共享资源，无需集中协调。它非常适合文件共享系统，就像朋友之间共享东西一样。
3. 发布者-订阅者：这就是“报纸”模式。在这里，发布者生成数据，订阅者使用数据。发布者不需要知道他们的订阅者是谁，反之亦然。这就像订阅报纸一样——您收到新闻时并不知道是谁印刷的。
4. 分片：将此视为“饼图切片”模式。分片涉及将数据分成更小的部分或“分片”，每个部分保存在单独的数据库服务器上。这就像切一个馅饼，每个切片都可以独立提供，有助于提高性能并增加冗余。
5. MapReduce：这是“分而治之”的模式。它将大数据问题拆分为子问题，并行处理它们（map），然后组合结果（reduce）。这就像有一项艰巨的清理任务，你将它分给你的朋友，然后最后将垃圾袋收集在一起。
6. 最终一致性：这是“耐心付出”的模式。它确保，如果没有对给定数据项进行新的更新，最终对该项目的所有访问都将返回最新的更新。就像一群朋友之间闲聊一样，最终每个人都会知道最新的消息。
7. 断路器：将其视为“安全开关”。它监视失败的服务调用，一旦失败达到某个阈值，断路器就会跳闸，并且对服务的所有进一步调用都会立即失败。它就像您家中的断路器，保护您的电器免受损坏。

3. 数据库和存储系统
在系统设计领域，数据库和存储系统是保存系统将处理的有价值数据的宝库。它们是构建系统的基础，理解它们至关重要。
了解不同类型的数据库（例如 SQL 和 NoSQL）、它们的优点和缺点以及何时使用每种类型是关键。同样，了解不同的存储系统（如块、文件和对象存储）以及如何根据速度、成本和数据类型等因素在它们之间进行选择也很重要。

以下是您将遇到的一些主要数据库类型：

1. 关系数据库 (RDBMS)：这些是数据存储的“有组织的储物柜”。RDBMS 中的数据以表的形式构建，不同表之间可以形成关系。RDBMS 具有固定的数据库模式。示例包括 MySQL 和 PostgreSQL。这就像将你的东西整齐地存放在储物柜中，每个储物柜都是一张桌子。
2. NoSQL 数据库：这些是“自由精神”。NoSQL 数据库是非表格的，其数据存储方式与关系表不同。它们专为大规模数据存储而设计，可以灵活地存储结构化、半结构化或非结构化数据。MongoDB 和 Cassandra 是流行的例子。将其想象为一个大盒子，您可以在其中倾倒任何您想要的东西，而不必担心组织。
3. 内存数据库：这些是“快速数据库”。内存数据库将数据存储在服务器的内存 (RAM) 中，而不是磁盘上，从而使数据访问速度非常快。Redis是著名的内存数据库。这就像将最常用的物品放在办公桌上而不是放在储物柜中以便快速访问。
4. 图数据库：这些是“网络编织者”。图数据库使用图结构来存储、映射和查询关系。它们非常适合分析互连数据。Neo4j 是一种流行的图形数据库。这就像创建一个家谱，其中的关系与个人一样重要。
5. 键值存储：键值存储是数据库的“伙伴系统”。想象一下走进一个巨大的仓库，里面装满了数百万个箱子。现在，如果每个盒子都有一个唯一的名称（键），并且您确切地知道您需要的盒子对应的名称，那么您可以立即找到您的盒子（值）。这正是键值存储所做的！在这种类型的数据库中，数据存储为键值对的集合，其中每个唯一键与一个值相关联。键充当快速查找数据的标识符。它就像一本字典，其中每个单词（键）都有相应的含义（值）。
6. 文档数据库：这些是“记录保存者”。文档数据库将数据存储在类似于 JSON 对象的文档中。每个文档可以包含成对的字段和值，并且每个值可以是各种类型。MongoDB是著名的文档数据库。这就像一个文件柜，每个抽屉里都有不同的文件和各种数据。
7. 列存储数据库：这些是“列王”。面向列的数据库按列而不是按行存储数据。这使得跨所有行的特定字段的查询和执行操作更快。Cassandra 和 HBase 就是例子。这就像在电子表格中垂直存储数据，重点关注列而不是行。

4. 网络和 API
网络是将系统的各个组件粘合在一起的粘合剂。它就像城市的道路系统，允许数据在系统的不同部分之间传输。了解协议、防火墙、DNS 和负载平衡等网络概念对于设计高效、安全的系统至关重要。

同样，API（应用程序编程接口）就像系统不同组件之间的接口或契约。它们定义系统的不同部分如何相互交互。对 API 以及如何设计它们有深入的了解是系统设计面试的另一项关键技能。

5. 系统设计中的安全考虑
就像城市需要围墙和守卫来保护其免受入侵者一样，系统也需要安全措施来保护其免受威胁。了解安全概念以及如何设计免受威胁的系统是系统设计面试的另一个重要主题。

这包括理解身份验证、授权、加密等概念。它还涉及了解如何设计保护用户数据并遵守 GDPR 和 HIPAA 等法规的系统。

6. 系统设计中的估计和权衡
最后，系统设计不仅仅是设计完美的系统；而是设计一个完美的系统。这是关于设计正确的系统。这通常涉及进行估计和权衡。您可能需要估计需要多少存储空间、系统可以支持多少用户，或者系统需要多快。

同样，您通常需要进行权衡，例如在提供更高性能的更复杂的设计或更易于实现的更简单的设计之间进行选择。了解如何进行这些估计和权衡是系统设计面试的另一项关键技能。

总之，准备系统设计面试就像收拾行李去旅行。您需要将正确的工具（主题）放入您的工具包中，并知道如何有效地使用它们。请记住，您拥有的工具越多，并且您越了解如何使用它们，您就越有能力面对系统设计面试过程中遇到的任何挑战。因此，系好安全带，开始学习，因为系统设计面试的成功之路就从这里开始！

7. 常见分布式系统算法
以下是可用于解决现实世界问题的分布式系统算法的列表：

• 默克尔树
• 布隆过滤器
• 心跳
• CAP 和 PACELC 定理
• 一致性哈希
• Gossip协议
• 读修复

系统设计面试问题的类型
正如书籍有不同类型一样，系统设计面试问题也有不同类型。了解这些类型并为每种类型做好准备对于在面试中表现出色至关重要。

1、设计特定类型的系统：
这些问题要求您设计特定类型的系统，例如乘车共享应用程序或网络爬虫。它们测试您将系统设计知识应用于特定问题的能力。

1. 应对特定的挑战：这些问题向您提出了特定的挑战，例如扩展系统以应对流量激增或提高系统的可靠性。它们测试您解决问题的能力以及您对关键系统设计概念的理解。
2. 评估权衡：这些问题要求您评估权衡，例如在 SQL 和NoSQL数据库之间进行选择，或者在垂直和水平扩展之间做出决定。它们测试您的决策能力以及您对不同系统设计方案的优缺点的理解。

B.了解关键的系统设计挑战：为了准备解决有关处理特定挑战的问题，您需要了解关键的系统设计挑战。这包括扩展、可靠性、可用性和安全性等挑战。

C.了解不同的系统设计选项：为了准备有关评估权衡的设计问题，您需要了解不同的系统设计选项及其优点和缺点。这包括了解不同类型的数据库、存储系统、架构等。

系统设计面试问题
现在，我们来看看一些常见的系统设计面试问题：

“设计一个像 bit.ly 这样的 URL 缩短服务。 ” 这个问题要求你设计一个特定类型的系统。您需要考虑系统的组件，例如存储 URL 的数据库、生成缩短 URL 的算法以及与 URL 缩短器交互的 API。

“您将如何扩展社交媒体网站以应对突然激增的流量？” 这个问题提出了一个具体的挑战。您需要考虑扩展系统的策略，例如使用负载平衡器、缓存或数据库分片。

“对于Uber这样的拼车应用程序，您会使用 SQL 还是 NoSQL 数据库吗？为什么？” 这个问题要求你评估一个权衡。您需要考虑两种类型的数据库的优点和缺点，并决定哪一种最适合应用程序的要求。

请记住，在系统设计面试中，通常没有一个正确答案。相反，面试官希望了解您的思维过程、如何处理问题以及您对系统设计原则的理解和应用程度。