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设计 Mint.com

注意：这个文档中的链接会直接指向系统设计主题索引中的有关部分，以避免重复的内容。您可以参考链接的相关内容，来了解其总的要点、方案的权衡取舍以及可选的替代方案。

第一步：简述用例与约束条件

搜集需求与问题的范围。 提出问题来明确用例与约束条件。 讨论假设。

我们将在没有面试官明确说明问题的情况下，自己定义一些用例以及限制条件。

用例

我们将把问题限定在仅处理以下用例的范围中

• 用户 连接到一个财务账户
• 服务 从账户中提取交易
  • 每日更新
  • 分类交易
    • 允许用户手动分类
    • 不自动重新分类
  • 按类别分析每月支出
• 服务 推荐预算
  • 允许用户手动设置预算
  • 当接近或者超出预算时，发送通知
• 服务 具有高可用性

非用例范围

• 服务 执行附加的日志记录和分析

限制条件与假设

提出假设

• 网络流量非均匀分布
• 自动账户日更新只适用于 30 天内活跃的用户
• 添加或者移除财务账户相对较少
• 预算通知不需要及时
• 1000 万用户
  • 每个用户10个预算类别= 1亿个预算项
  • 示例类别:
    • Housing = $1,000
    • Food = $200
    • Gas = $100
  • 卖方确定交易类别
    • 50000 个卖方
• 3000 万财务账户
• 每月 50 亿交易
• 每月 5 亿读请求
• 10:1 读写比
  • Write-heavy，用户每天都进行交易，但是每天很少访问该网站

计算用量

如果你需要进行粗略的用量计算，请向你的面试官说明。

• 每次交易的用量:
  • user_id - 8 字节
  • created_at - 5 字节
  • seller - 32 字节
  • amount - 5 字节
  • Total: ~50 字节
• 每月产生 250 GB 新的交易内容
  • 每次交易 50 比特 * 50 亿交易每月
  • 3年内新的交易内容 9 TB
  • Assume most are new transactions instead of updates to existing ones
• 平均每秒产生 2000 次交易
• 平均每秒产生 200 读请求

便利换算指南：

• 每个月有 250 万秒
• 每秒一个请求 = 每个月 250 万次请求
• 每秒 40 个请求 = 每个月 1 亿次请求
• 每秒 400 个请求 = 每个月 10 亿次请求

第二步：概要设计

列出所有重要组件以规划概要设计。

第三步：设计核心组件

深入每个核心组件的细节。

用例：用户连接到一个财务账户

我们可以将 1000 万用户的信息存储在一个关系数据库中。我们应该讨论一下选择SQL或NoSQL之间的用例和权衡了。

• 客户端 作为一个反向代理，发送请求到 Web 服务器
• Web 服务器 转发请求到 账户API 服务器
• 账户API 服务器将新输入的账户信息更新到 SQL数据库 的accounts表

告知你的面试官你准备写多少代码。

accounts表应该具有如下结构：

id int NOT NULL AUTO_INCREMENT
created_at datetime NOT NULL
last_update datetime NOT NULL
account_url varchar(255) NOT NULL
account_login varchar(32) NOT NULL
account_password_hash char(64) NOT NULL
user_id int NOT NULL
PRIMARY KEY(id)
FOREIGN KEY(user_id) REFERENCES users(id)

我们将在id，user_id和created_at等字段上创建一个索引以加速查找（对数时间而不是扫描整个表）并保持数据在内存中。从内存中顺序读取 1 MB数据花费大约250毫秒，而从SSD读取是其4倍，从磁盘读取是其80倍。¹

我们将使用公开的REST API:

$ curl -X POST --data '{ "user_id": "foo", "account_url": "bar", \
    "account_login": "baz", "account_password": "qux" }' \
    https://mint.com/api/v1/account

对于内部通信，我们可以使用远程过程调用。

接下来，服务从账户中提取交易。

用例：服务从账户中提取交易

如下几种情况下，我们会想要从账户中提取信息：

• 用户首次链接账户
• 用户手动更新账户
• 为过去 30 天内活跃的用户自动日更新

数据流:

• 客户端向 Web服务器 发送请求
• Web服务器 将请求转发到 帐户API 服务器
• 帐户API 服务器将job放在 队列 中，如 Amazon SQS 或者 RabbitMQ
  • 提取交易可能需要一段时间，我们可能希望与队列异步地来做，虽然这会引入额外的复杂度。
• 交易提取服务 执行如下操作：
  • 从 Queue 中拉取并从金融机构中提取给定用户的交易，将结果作为原始日志文件存储在 对象存储区。
  • 使用 分类服务 来分类每个交易
  • 使用 预算服务 来按类别计算每月总支出
    • 预算服务 使用 通知服务 让用户知道他们是否接近或者已经超出预算
  • 更新具有分类交易的 SQL数据库 的transactions表
  • 按类别更新 SQL数据库 monthly_spending表的每月总支出
  • 通过 通知服务 提醒用户交易完成
    • 使用一个 队列 (没有画出来) 来异步发送通知

transactions表应该具有如下结构：

id int NOT NULL AUTO_INCREMENT
created_at datetime NOT NULL
seller varchar(32) NOT NULL
amount decimal NOT NULL
user_id int NOT NULL
PRIMARY KEY(id)
FOREIGN KEY(user_id) REFERENCES users(id)

我们将在 id，user_id，和 created_at字段上创建索引。

monthly_spending表应该具有如下结构：

id int NOT NULL AUTO_INCREMENT
month_year date NOT NULL
category varchar(32)
amount decimal NOT NULL
user_id int NOT NULL
PRIMARY KEY(id)
FOREIGN KEY(user_id) REFERENCES users(id)

我们将在id，user_id字段上创建索引。

分类服务

对于 分类服务，我们可以生成一个带有最受欢迎卖家的卖家-类别字典。如果我们估计 50000 个卖家，并估计每个条目占用不少于 255 个字节，该字典只需要大约 12 MB内存。

告知你的面试官你准备写多少代码。

class DefaultCategories(Enum):

    HOUSING = 0
    FOOD = 1
    GAS = 2
    SHOPPING = 3
    ...

seller_category_map = {}
seller_category_map['Exxon'] = DefaultCategories.GAS
seller_category_map['Target'] = DefaultCategories.SHOPPING
...

对于一开始没有在映射中的卖家，我们可以通过评估用户提供的手动类别来进行众包。在 O(1) 时间内，我们可以用堆来快速查找每个卖家的顶端的手动覆盖。

class Categorizer(object):

    def __init__(self, seller_category_map, self.seller_category_crowd_overrides_map):
        self.seller_category_map = seller_category_map
        self.seller_category_crowd_overrides_map = \
            seller_category_crowd_overrides_map

    def categorize(self, transaction):
        if transaction.seller in self.seller_category_map:
            return self.seller_category_map[transaction.seller]
        elif transaction.seller in self.seller_category_crowd_overrides_map:
            self.seller_category_map[transaction.seller] = \
                self.seller_category_crowd_overrides_map[transaction.seller].peek_min()
            return self.seller_category_map[transaction.seller]
        return None

交易实现：

class Transaction(object):

    def __init__(self, created_at, seller, amount):
        self.timestamp = timestamp
        self.seller = seller
        self.amount = amount

用例：服务推荐预算

首先，我们可以使用根据收入等级分配每类别金额的通用预算模板。使用这种方法，我们不必存储在约束中标识的 1 亿个预算项目，只需存储用户覆盖的预算项目。如果用户覆盖预算类别，我们可以在 TABLE budget_overrides中存储此覆盖。

class Budget(object):

    def __init__(self, income):
        self.income = income
        self.categories_to_budget_map = self.create_budget_template()

    def create_budget_template(self):
        return {
            'DefaultCategories.HOUSING': income * .4,
            'DefaultCategories.FOOD': income * .2
            'DefaultCategories.GAS': income * .1,
            'DefaultCategories.SHOPPING': income * .2
            ...
        }

    def override_category_budget(self, category, amount):
        self.categories_to_budget_map[category] = amount

对于 预算服务 而言，我们可以在transactions表上运行SQL查询以生成monthly_spending聚合表。由于用户通常每个月有很多交易，所以monthly_spending表的行数可能会少于总共50亿次交易的行数。

作为替代，我们可以在原始交易文件上运行 MapReduce 作业来：

• 分类每个交易
• 按类别生成每月总支出

对交易文件的运行分析可以显著减少数据库的负载。

如果用户更新类别，我们可以调用 预算服务 重新运行分析。

告知你的面试官你准备写多少代码.

日志文件格式样例，以tab分割：

user_id   timestamp   seller  amount

MapReduce 实现:

class SpendingByCategory(MRJob):

    def __init__(self, categorizer):
        self.categorizer = categorizer
        self.current_year_month = calc_current_year_month()
        ...

    def calc_current_year_month(self):
        """返回当前年月"""
        ...

    def extract_year_month(self, timestamp):
        """返回时间戳的年，月部分"""
        ...

    def handle_budget_notifications(self, key, total):
        """如果接近或超出预算，调用通知API"""
        ...

    def mapper(self, _, line):
        """解析每个日志行，提取和转换相关行。

        参数行应为如下形式：

        user_id   timestamp   seller  amount

        使用分类器来将卖家转换成类别，生成如下形式的key-value对：

        (user_id, 2016-01, shopping), 25
        (user_id, 2016-01, shopping), 100
        (user_id, 2016-01, gas), 50
        """
        user_id, timestamp, seller, amount = line.split('\t')
        category = self.categorizer.categorize(seller)
        period = self.extract_year_month(timestamp)
        if period == self.current_year_month:
            yield (user_id, period, category), amount

    def reducer(self, key, value):
        """将每个key对应的值求和。

        (user_id, 2016-01, shopping), 125
        (user_id, 2016-01, gas), 50
        """
        total = sum(values)
        yield key, sum(values)

第四步：设计扩展

根据限制条件，找到并解决瓶颈。

重要提示：不要从最初设计直接跳到最终设计中！

现在你要 1) 基准测试、负载测试。2) 分析、描述性能瓶颈。3) 在解决瓶颈问题的同时，评估替代方案、权衡利弊。4) 重复以上步骤。请阅读「设计一个系统，并将其扩大到为数以百万计的 AWS 用户服务」 来了解如何逐步扩大初始设计。

讨论初始设计可能遇到的瓶颈及相关解决方案是很重要的。例如加上一个配置多台 Web 服务器的负载均衡器是否能够解决问题？CDN呢？主从复制呢？它们各自的替代方案和需要权衡的利弊又有什么呢？

我们将会介绍一些组件来完成设计，并解决架构扩张问题。内置的负载均衡器将不做讨论以节省篇幅。

为了避免重复讨论，请参考系统设计主题索引相关部分来了解其要点、方案的权衡取舍以及可选的替代方案。

• DNS
• 负载均衡器
• 水平拓展
• 反向代理（web 服务器）
• API 服务（应用层）
• 缓存
• 关系型数据库管理系统 (RDBMS)
• SQL 故障主从切换
• 主从复制
• 异步
• 一致性模式
• 可用性模式

我们将增加一个额外的用例：用户 访问摘要和交易数据。

用户会话，按类别统计的统计信息，以及最近的事务可以放在 内存缓存（如 Redis 或 Memcached ）中。

• 客户端 发送读请求给 Web 服务器
• Web 服务器 转发请求到 读 API 服务器
  • 静态内容可通过 对象存储 比如缓存在 CDN 上的 S3 来服务
• 读 API 服务器做如下动作:
  • 检查 内存缓存 的内容
    • 如果URL在 内存缓存中，返回缓存的内容
    • 否则
      • 如果URL在 SQL 数据库中，获取该内容
        • 以其内容更新 内存缓存

参考 何时更新缓存 中权衡和替代的内容。以上方法描述了 cache-aside缓存模式.

我们可以使用诸如 Amazon Redshift 或者 Google BigQuery 等数据仓库解决方案，而不是将monthly_spending聚合表保留在 SQL 数据库 中。

我们可能只想在数据库中存储一个月的交易数据，而将其余数据存储在数据仓库或者 对象存储区 中。对象存储区 （如Amazon S3) 能够舒服地解决每月 250 GB新内容的限制。

为了解决每秒 平均 2000 次读请求数（峰值时更高），受欢迎的内容的流量应由 内存缓存 而不是数据库来处理。 内存缓存 也可用于处理不均匀分布的流量和流量尖峰。 只要副本不陷入重复写入的困境，SQL 读副本 应该能够处理高速缓存未命中。

平均 200 次交易写入每秒（峰值时更高）对于单个 SQL 写入主-从服务 来说可能是棘手的。我们可能需要考虑其它的 SQL 性能拓展技术：

• 联合
• 分片
• 非规范化
• SQL 调优

我们也可以考虑将一些数据移至 NoSQL 数据库。

其它要点

是否深入这些额外的主题，取决于你的问题范围和剩下的时间。

NoSQL

• 键-值存储
• 文档类型存储
• 列型存储
• 图数据库
• SQL vs NoSQL

缓存

• 在哪缓存
  • 客户端缓存
  • CDN 缓存
  • Web 服务器缓存
  • 数据库缓存
  • 应用缓存
• 什么需要缓存
  • 数据库查询级别的缓存
  • 对象级别的缓存
• 何时更新缓存
  • 缓存模式
  • 直写模式
  • 回写模式
  • 刷新

异步与微服务

• 消息队列
• 任务队列
• 背压
• 微服务

通信

• 可权衡选择的方案：
  • 与客户端的外部通信 - 使用 REST 作为 HTTP API
  • 服务器内部通信 - RPC
• 服务发现

安全性

请参阅「安全」一章。

延迟数值

请参阅「每个程序员都应该知道的延迟数」。

持续探讨

• 持续进行基准测试并监控你的系统，以解决他们提出的瓶颈问题。
• 架构拓展是一个迭代的过程。