摘要

在互聯(lián)網系統(tǒng)架構設計中，如何用最少的資源支撐起億級流量是每位工程師孜孜不息奮戰(zhàn)的目標。雖然業(yè)務場景林林總總，但是萬變不離其宗。本文分享了一些系統(tǒng)設計理論與方法，也是這兩年多在工作中對系統(tǒng)設計的一些思考與總結。

一、善用UML工具

用例圖
用于需求分析階段，從用戶角度描述系統(tǒng)功能。

用例圖

靜態(tài)圖：類圖、對象圖、包圖

靜態(tài)圖

交互圖-時序圖（注重時間）
常用組合片段：選項（Opt）、循環(huán)（Loop）、并行（Par）、抉擇（Alt）、中斷（Break）

時序圖

交互圖-協(xié)作圖（注重對象）

協(xié)作圖

行為圖-狀態(tài)圖（注重狀態(tài)）

狀態(tài)圖

行為圖-活動圖（注重活動）

活動圖

實現(xiàn)圖-組件圖

組件圖

實現(xiàn)圖-部署圖

部署圖

二、遵從設計原則

設計模式基礎

• 單一職責：一個類只負責一個職能；
• 里氏轉換：在子類中不應重寫、重載父類的方法，子類要能替代父類；
• 接口隔離：不依賴不需要的接口，拆分大接口；
• 迪米特法則：一個對象應該對其他對象保持最少的了解（低耦合）；
• 開放封閉：對擴展開放，對修改關閉；
• 依賴倒置：抽象不應該依賴細節(jié)，細節(jié)應該依賴抽象，即針對接口編程，所有依賴關系都終止于抽象類或接口，不要對實現(xiàn)編程。

設計模式

創(chuàng)建型

• 工廠方法(Factory Method)：Creator、Product、ConcreteCreator、ConcreteProduct，父類決定實例生成方式，由子類生成實例。
• 抽象工廠(Abstract Factory)：AbstractFactory、ConcreteFactory、AbstractProduct、ConcreteProduct、Client，將零件組裝成復雜結構的產品。
• 單例(Singleton)：Singleton，只有一個實例。
• 建造者(Builder)：Builder、ConcreteBuilder、Director(監(jiān)工，聚合Builder)、Client，分階段組裝生成復雜結構的實例。
• 原型(Prototype)：Prototype、ConcretePrototype、Client，通過clone生成實例。

結構型

• 適配器(Adapter)：Target(對象)、Adapter(繼承Target，聚合Adaptee)、Adaptee(被適配)、Client，連接填補不同接口的縫隙。
• 代理(Proxy)：Subject、Proxy(代理人，聚合RealSubject)、RealSubject(實際主體)、Client，Proxy與RealSubject實現(xiàn)同一接口，用于推遲實例的生成。
• 橋接(Bridge)：Abstraction(功能，聚合Implementor)、RefinedAbstraction、Implementor(實現(xiàn))、ConcreteImplementor，將類的功能層次結構與實現(xiàn)層次結構分離。
• 裝飾(Decorator)：Component(被裝飾物)、ConcreteComponent、Decorator(裝飾物，繼承并聚合Component)、ConcreteDecorator，為Component添加Decorator，裝飾邊框與被裝飾物具有一致性。
• 組合(Composite)：Leaf(樹葉)、Composite(復合物，承載Leaf和Composite)、Component(Leaf和Composite的父類，使其一致)、Client，使容器與內容具有一致性，創(chuàng)造出遞歸結構。
• 外觀(Facade)：Facade(窗口，依賴其它角色)、被組裝的其它角色、Client，將復雜角色組裝成簡單窗口。
• 享元(Flyweight)：Flyweight、FlyweightFactory(聚合Flyweight，緩存Flyweight實現(xiàn)共享)、Client，共享內存，避免浪費。

行為型

• 模板方法(Temple Method)：AbstractClass、ConcreteClass(繼承AbstractClass)，在父類定義處理流程的框架，在子類中實現(xiàn)具體處理。
• 責任鏈(Chain Of Responsibility)：Handler、ConcreteHandler、Chain(組裝Handler順序)、Client，責任節(jié)點各司其職。
• 策略(Strategy)：Strategy、ConcreteStrategy、Context(上下文，聚合Strategy)，可靈活替換算法。
• 狀態(tài)(State)：State、ConcreteState、Context(上下文，聚合State)，用類表示狀態(tài)。
• 觀察者(Observer)：Subject(觀察對象，聚合Observer)、ConcreteSubject、Observer、ConcreteObserver，Subject變更時通知Observer。
• 訪問者(Visitor)：Visitor、ConcreteVisitor、Element(元素)、ConcreteElement、ObjectStructure(對象結構，聚合Element)，遍歷并處理對象結構數(shù)據(jù)。
• 迭代器(Iterator)：Iterator、ConcreteIterator、Aggregate、ConcreteAggregate(聚合具體迭代器)，遍歷集合數(shù)據(jù)。
• 命令(Command)：Command、ConcreteCommand(聚合Receiver)、Receiver(接收者)、Client(請求者)、Invoker(發(fā)動者，聚合Command)，保存命令歷史記錄和重復執(zhí)行命令。
• 備忘錄(Memento)：Originator(生成者)、Memento、Caretaker(負責人，聚合Memento)，保存對象狀態(tài)。
• 仲裁者(Mediator)：Mediator、ConcreteMediator(聚合ConcreteColleague)、Colleague(組員，聚合Mediator)、ConcreteColleague，組員向仲裁者報告，仲裁者向組員下達指示。
• 解釋器(Interpreter)：AbstractExpression(抽象表達式)、TerminalExpression(終結符)、NonterminalExpression(非終結符，聚合AbstractExpression)、Context、Client，解析語法規(guī)則。

分布式設計原則

高可用
降級、限流（漏桶-平滑、令牌桶-可突發(fā)、環(huán)形隊列+滑動窗口）、切流、熔斷、回流、可回流、超時、隔離（線程、讀寫、資源、熱點、爬蟲）、負載均衡。

高并發(fā)
無狀態(tài)、拆分、服務化、隊列、數(shù)據(jù)異構（異構->原子化->聚合->緩存）、緩存、并發(fā)化（Future、Callback、Completable Future）、池化。

業(yè)務設計
防重、冪等、規(guī)則引擎、狀態(tài)機、審計、審批。

分布式理論
CAP：一致性、可用性、分區(qū)容錯性（三選二）；
BASE：基本可用、軟狀態(tài)、最終一致性；
ACID：原子性、一致性、隔離性、持久性。

一致性原則
XA協(xié)議：準備 -> 提交（具有阻塞、協(xié)調者單點、腦裂等缺點）；
XA三段協(xié)議：詢問 -> 準備 -> 提交；
TCC：try -> confirm / try -> cancel 鎖定 -> 確認/釋放；
最終一致性：查詢、補償、定期校對、可靠消息、緩存一致性。

超時處理
原則：誰超時誰處理，即接口調用超時，查詢+補償；接口調用成功后，接口內部服務超時須自己補償。

• 兩狀態(tài)同步接口（OK/ERR）：接口調用超時，調用方查詢+補償；接口內部服務超時，內部快速失敗+沖正；
• 三狀態(tài)同步接口（OK/ING/ERR）：接口調用超時，調用方查詢+補償；接口內部服務超時，返回處理中，內部查詢+補償?shù)匠晒Γ{用方輪詢；
• 異步接口：接口調用超時，調用方查詢+補償；接口內部服務超時，內部查詢+補償?shù)匠晒?，回調通知；接口回調通知超時，指數(shù)補償回調；
• 消息隊列：生產者發(fā)送超時，持久化可靠發(fā)送+冪等消費；消費者消費超時，消息處理完偏移量增加。

緩存
緩存分片：客戶端分片（redic）、代理分片、集群分片（一致性Hash）；
緩存穿透：緩存空值、有效Key判斷；
緩存并發(fā)：分布式鎖、本地鎖、軟過期（業(yè)務過期）；
緩存雪崩：錯峰失效。

三、畫好架構圖

4+1視圖

場景視圖：參與者與功能用例關系，用例圖表示；
邏輯視圖：功能拆解后的組件邊界及關系，組件圖和類圖表示；
物理視圖：軟件與硬件映射關系，部署圖表示；
處理流程圖：各組件流程與數(shù)據(jù)交互，時序圖和流程圖表示；
開發(fā)視圖：模塊劃分及包組成，包圖表示。

C4視圖

語境圖：梳理待建設系統(tǒng)用戶和高層次依賴，在中間畫出自己的系統(tǒng)，周圍是用戶與其它交互系統(tǒng)。

C4語境圖

容器圖：展開語境圖待建設系統(tǒng)，用框圖表示，可包含名稱、技術選擇、職責、框圖間交互，明確外部系統(tǒng)邊界。

C4容器圖

組件圖：展開某個容器，描述其內部模塊組件組成、關系。

C4組件圖

類圖：同UML靜態(tài)圖，此處不再展開。

結束語

技術服務業(yè)務，如何在技術選型與實現(xiàn)上結合實際情況做最優(yōu)的取舍，才是每位工程師的價值所在。

參考資料

《億級流量網站架構核心技術》
《面向對象技術及UML教程》