系统设计面试是开放式对话，旨在测试您设计大型系统的能力。本指南提供了一种结构化的方法来有效应对系统设计问题。与测试算法解决能力的编程面试不同，系统设计面试评估您设计可扩展、可靠和可维护系统的能力。
如果您正在寻找带有详细解决方案的系统设计面试示例问题，请参阅系统设计面试问题与解决方案。
系统设计面试评估您的能力，包括
图表：系统设计面试流程图
首先收集需求并界定问题范围。这有助于明确您正在设计的系统边界，并确保您专注于最关键的方面。
向面试官提出以下澄清问题
| 类别 | 示例问题 |
|---|---|
| 用户/客户端 | 谁将使用该系统？有多少用户？预期增长如何？ |
| 使用模式 | 他们将如何使用它？关键用例是什么？ |
| 功能性 | 该系统做什么？其核心功能是什么？ |
| 输入/输出 | 系统的输入和输出是什么？ |
| 数据规模 | 我们预计处理多少数据？ |
| 性能 | 每秒多少请求？预期延迟是多少？ |
| 读/写比例 | 预期的读写比例是多少？ |
清晰地记录您的假设，并与面试官确认。这可以防止误解，并展示您的系统方法。
例如，如果设计一个URL缩短服务
Requirements:
- Create shortened URLs that redirect to original URLs
- ~100M new URLs per month
- ~10B redirects per month
- 5 years of data retention
- 99.9% availability
- 100ms latency for URL creation
- 20ms latency for URL redirection
绘制主要组件及其连接图。这为您的详细设计提供了框架。
图表：高层系统架构示例
识别系统所需的主要构建模块
解释包含每个组件的原因，并将其与您收集的需求联系起来。这展示了您将需求转化为架构的能力。
深入探讨每个核心组件的细节。解释它们如何内部工作以及如何相互作用。
定义关键实体、其属性和关系。根据需求选择合适的数据库技术。
URL缩短器示例
Tables:
- urls(id, original_url, short_key, created_at, expires_at)
- analytics(short_key_id, access_time, user_agent, ip_address)
定义关键API端点、请求/响应格式和状态码。
URL缩短器示例
POST /api/shorten
{
"url": "https://example.com/very/long/path",
"custom_key": "custom" (optional)
}
Response:
{
"short_url": "https://short.ly/abc123",
"original_url": "https://example.com/very/long/path",
"expires_at": "2023-12-31T23:59:59Z"
}
解释系统中使用的关键算法和数据结构。
对于URL缩短器，讨论
图表：URL缩短算法
解决潜在的瓶颈和扩展挑战。这展示了您设计可随时间增长的系统的能力。
常见的瓶颈包括
应用适当的扩展策略来解决瓶颈
| 策略 | 描述 | 何时使用 |
|---|---|---|
| 水平伸缩 | 添加更多服务器以分配负载 | 对于无状态应用服务器 |
| 垂直伸缩 | 增加现有服务器的资源（CPU、RAM） | 当横向扩展复杂时 |
| 缓存 | 添加内存缓存以减少数据库负载 | 对于读密集型工作负载 |
| 数据库分库分表 | 将数据分片到多个数据库 | 对于超出单个数据库容量的大数据集 |
| 数据库复制 | 创建只读副本以处理读取流量 | 对于读密集型工作负载 |
| CDN | 将静态内容分发到边缘位置 | 对于全球分布的用户 |
| 异步处理 | 对非关键任务使用消息队列 | 对于不需要立即处理的任务 |
| 负载均衡 | 在服务器之间分发流量 | 对于高流量应用 |
对于URL缩短服务
Scaling Considerations:
- Add Redis cache for frequently accessed URLs
- Shard database by URL short key prefix
- Use CDN for handling redirects for popular URLs
- Implement rate limiting for URL generation
- Add read replicas for analytics queries
图表：扩展后的系统架构
系统设计面试通常需要快速估算以验证您的设计决策。练习这些计算以建立信心
对于存储需求
例如，对于URL缩短器
Storage per URL: ~200 bytes
100M new URLs/month × 60 months × 200 bytes ≈ 1.2 TB
With replication (3x): 3.6 TB
对于带宽和吞吐量
例如
10B redirects/month ≈ 4,000 requests/second
Average response size: 1KB
Bandwidth required: 4,000 × 1KB = 4 MB/s
使用“每个程序员都应该知道的延迟数字”作为参考点
除了技术设计能力，您在面试中的沟通方式也至关重要
主动引导讨论。先从宏观入手，然后根据需要逐步深入到具体领域。不要等待面试官询问每个细节。
系统设计面试有时间限制（通常45-60分钟）。合理分配您的时间
面对歧义时
在做出设计决策时，始终讨论权衡。系统设计中很少有完美的解决方案——每种方法都有其优缺点。
例如，在SQL和NoSQL数据库之间选择时
SQL advantages: ACID compliance, relational data, complex queries
SQL disadvantages: Scaling challenges, schema rigidity
NoSQL advantages: Horizontal scalability, schema flexibility, high throughput
NoSQL disadvantages: Eventual consistency, limited join capabilities
让我们简要地演练一下如何设计一个像Bit.ly这样的URL缩短服务
组件
URL生成算法
数据模式
API 端点
这种结构化方法展示了系统设计面试所需的技术深度和沟通技巧。
系统设计面试不仅测试您的技术知识，还测试您进行权衡、清晰沟通以及系统性思考复杂问题的能力。通过遵循本指南中概述的结构化方法——澄清需求、创建高层设计、详细说明核心组件并解决扩展问题——您将为应对系统设计问题做好充分准备。
请记住，系统设计面试旨在成为协作讨论。很少有“正确”的唯一解决方案，面试官更感兴趣的是您的思维过程和方法，而不是特定的答案。
通过系统设计面试问题与解决方案部分中的实际示例进行练习，以建立信心并培养设计可扩展系统的直觉。