8.1 系统设计

什么是系统设计？

• 系统设计（System Design）是一个定义系统架构、模块、接口和数据满足特定需求的过程。
• 比如设计一个短网址服务、评论服务、Feed流系统、抢红包系统。
• 微服务架构很多系统被按照业务拆分，需要单独设计一个系统服务。

系统设计需要的知识点

• 需要具备相关领域、算法的经验，有一定的架构设计能力。
• 熟悉后端技术组件，比如消息队列、缓存、数据库、框架。
• 具备文档撰写、流程图绘制、架构设计、编码实现等综合能力。

系统设计要素

• 使用场景和限制条件
• 数据存储设计
• 算法模块设计

要素一：场景和限制

• 系统是在什么地方使用？例如短网址系统提供给站内各种服务生成短网址。
• 限制条件：用户估计多少？至少要能支撑多少用户（服务）？
• 估算并发qps：峰值qps是多少？平均qps是多少？

要素二：数据存储设计

• 按需设计数据表，需要哪些字段，使用什么类型？数据增长规模？
• 数据库选型：是否需要持久化？使用关系型还是非关系型？
• 如何优化？如何设计索引？是否可以使用缓存？

要素三：算法模块设计

• 程序=算法+数据结构。系统=服务+存储。
• 需要哪些接口？接口如何设计？
• 使用什么算法或者模型？
• 不同实现方式之间的优劣对比，如何取舍（时间换空间或空间换时间）？

8.2 系统设计：短网址系统的设计与实现

场景和限制

• 使用场景：提供短网址服务为公司其他各个业务服务。
• 功能：一个长网址转成短网址并存储；根据短网址还原长url。
• 要求短网址的后缀不超过7位（大小写字母和数字）。
• 预估峰值插入请求数量：数百；查询请求数量级：数千。

数据存储设计

• 使用Mysql即可满足。
• 数据库需要的字段：id、token、url（原网址）、created_at。
• 设计索引：使用token作为索引（只有token有查询需求）。

算法实现设计

• 需要两个API：long2short_url，stort2long_url。
• 采取自增序列算法实现。

实现代码示例

• 转换短网址的算法：

  CHARS = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789"
    def encode(num):
        if num == 0:
            return CHARS[0]
        res = []
        while num:
            num, rem = divmod(num,len(CHARS))  # 62位，divmod返回商和取模求余数
            res.append(CHARS[rem])
        return ''.join(reversed(res))
  
    print(encode(1))
    print(encode(61))
  

• 创建sql表语句

  # demo数据库中执行
    CREATE TABLE short_url(
        id bigint unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
        token varchar(10),
        url varchar(2048),
        created_at timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
        PRIMARY KEY (`id`),
        KEY `idx_token` (`token`)
    );
  

• flask+mysql的具体实现：

  import os
    from flask import Flask, jsonify, render_template, request
    from flask_mysqldb import MySQL
    #from flask.ext.redis import FlaskRedis
  
    app = Flask(__name__)
    app.config['MYSQL_USER']='root'
    app.config['MYSQL_PASSWORD']='root'
    app.config['MYSQL_DB']='demo'
    app.config['MYSQL_CURSORCLASS']='DictCursor'
  
    mysql = MySQL(app)
    #redis_store = FlaskRedis(app)
  
    CHARS = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789"
  
    def encode(num):
        if num == 0:
            return CHARS[0]
        res = []
        while num:
            num, rem = divmod(num,len(CHARS))  # 62位，divmod返回商和取模求余数
            res.append(CHARS[rem])
        return ''.join(reversed(res))
  
    @app.route('/shorten', methods=['POST'])
    def shorten_url():
        long_url = request.form['url']
        print(long_url)
        # index = int(redis_store.incr('SHORT_CNT')
        index = 1 # 可以通过redis实现获取自增
        token = encode(index)
        sql = "INSERT INTO short_url(token,url) VALUES(%s, %s)"
        cur = mysql.connection.cursor()
        cur.execute(sql,(token,long_url))
        mysql.connection.commit()
        short_url = 'https://datatest.org/'+token
        return jsonify(url=short_url)
  
    @app.route('/')
    def index():
        return render_template('index.html')
  
    if __name__ == '__main__':
        app.run(debug=1)
  

• html代码

  <form action="/shorten" method="post">
      <p>long url: <input type="text" name="url" /></p>
      <input type="submit" value="Submit" />
    </form>
  

• 最终效果图（页面直接通过form表单提交，没有做页面的处理，所以访问后直接看到json的结果）

第九章 练习题

9.1 Redis应用-分布式锁

• 请你基于Redis编写代码实现一个简单的分布式锁。
• 要求：支持超时时间参数。
• 深入思考：如果Redis单个节点宕机了，如何处理？还有其他业界的方案实现分布式锁吗？

9.2 如何设计一个秒杀系统

• 什么是秒杀系统？
• 如何根据我们提到的三个要素来设计秒杀系统？
• 秒杀系统涉及到哪些后端组件（参考网上资料思考如何设计）。