M

MLOG

Lietuvių

Atraskite esminius sistemų projektavimo principus, geriausias praktikas ir realius pavyzdžius, kaip kurti mastelį keičiančias, patikimas ir prižiūrimas sistemas pasaulinei auditorijai.

Sistemų projektavimo principų įvaldymas: išsamus vadovas pasaulinio lygio architektams

Šiuolaikiniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje tvirtų ir mastelį keičiančių sistemų kūrimas yra gyvybiškai svarbus bet kuriai organizacijai, veikiančiai pasauliniu mastu. Sistemų projektavimas – tai procesas, kurio metu apibrėžiama sistemos architektūra, moduliai, sąsajos ir duomenys, siekiant patenkinti nurodytus reikalavimus. Tvirtas sistemų projektavimo principų išmanymas yra būtinas programinės įrangos architektams, kūrėjams ir visiems, kurie dalyvauja kuriant ir prižiūrint sudėtingas programinės įrangos sistemas. Šis vadovas pateikia išsamią pagrindinių sistemų projektavimo principų, geriausių praktikų ir realaus pasaulio pavyzdžių apžvalgą, kuri padės jums kurti mastelį keičiančias, patikimas ir lengvai prižiūrimas sistemas.

Kodėl sistemų projektavimo principai yra svarbūs

Tinkamų sistemų projektavimo principų taikymas suteikia daugybę privalumų, įskaitant:

Pagrindiniai sistemų projektavimo principai

Štai keletas pagrindinių sistemų projektavimo principų, į kuriuos turėtumėte atsižvelgti projektuodami savo sistemas:

1. Atsakomybių atskyrimas (SoC)

Koncepcija: Padalinkite sistemą į atskirus modulius ar komponentus, kurių kiekvienas atsakingas už konkrečią funkciją ar sistemos aspektą. Šis principas yra fundamentalus siekiant moduliškumo ir prižiūrimumo. Kiekvienas modulis turi turėti aiškiai apibrėžtą paskirtį ir minimaliai priklausyti nuo kitų modulių. Tai veda prie geresnio testuojamumo, pakartotinio panaudojamumo ir bendro sistemos aiškumo.

Nauda:

Pavyzdys: Elektroninės prekybos programoje atskirkite atsakomybes sukurdami atskirus modulius vartotojo autentifikavimui, produktų katalogo valdymui, užsakymų apdorojimui ir mokėjimo sąsajos integravimui. Vartotojo autentifikavimo modulis tvarko vartotojo prisijungimą ir autorizavimą, produktų katalogo modulis valdo produkto informaciją, užsakymų apdorojimo modulis tvarko užsakymų kūrimą ir vykdymą, o mokėjimo sąsajos integravimo modulis tvarko mokėjimų apdorojimą.

2. Vienos atsakomybės principas (SRP)

Koncepcija: Modulis ar klasė turėtų turėti tik vieną priežastį keistis. Šis principas yra glaudžiai susijęs su SoC ir sutelktas į tai, kad kiekvienas modulis ar klasė turėtų vieną, gerai apibrėžtą paskirtį. Jei modulis turi kelias atsakomybes, jį tampa sunkiau prižiūrėti ir labiau tikėtina, kad jį paveiks pakeitimai kitose sistemos dalyse. Svarbu patobulinti savo modulius, kad atsakomybė būtų sutalpinta į mažiausią funkcinį vienetą.

Nauda:

Pavyzdys: Ataskaitų sistemoje viena klasė neturėtų būti atsakinga tiek už ataskaitų generavimą, tiek už jų siuntimą el. paštu. Vietoj to, sukurkite atskiras klases ataskaitų generavimui ir el. laiškų siuntimui. Tai leidžia keisti ataskaitų generavimo logiką nepaveikiant el. laiškų siuntimo funkcionalumo ir atvirkščiai. Tai palaiko bendrą ataskaitų modulio prižiūrimumą ir lankstumą.

3. Nesikartok (DRY)

Koncepcija: Venkite kodo ar logikos dubliavimo. Vietoj to, bendrą funkcionalumą įdėkite į pakartotinai naudojamus komponentus ar funkcijas. Dubliavimas didina priežiūros išlaidas, nes pakeitimus reikia atlikti keliose vietose. DRY skatina kodo pakartotinį panaudojamumą, nuoseklumą ir prižiūrimumą. Bet koks bendros rutinos ar komponento atnaujinimas ar pakeitimas bus automatiškai pritaikytas visoje programoje.

Nauda:

Pavyzdys: Jei turite kelis modulius, kuriems reikia prieigos prie duomenų bazės, sukurkite bendrą duomenų bazės prieigos sluoksnį ar paslaugų klasę, kuri apima duomenų bazės prisijungimo logiką. Tai padeda išvengti duomenų bazės prisijungimo kodo dubliavimo kiekviename modulyje ir užtikrina, kad visi moduliai naudoja tuos pačius prisijungimo parametrus ir klaidų apdorojimo mechanizmus. Alternatyvus požiūris yra naudoti ORM (Object-Relational Mapper), pvz., Entity Framework ar Hibernate.

4. Viskas paprasčiau (KISS)

Koncepcija: Projektuokite sistemas kuo paprasčiau. Venkite nereikalingo sudėtingumo ir siekite paprastumo bei aiškumo. Sudėtingas sistemas sunkiau suprasti, prižiūrėti ir derinti. KISS skatina pasirinkti paprasčiausią sprendimą, atitinkantį reikalavimus, užuot pernelyg sudėtingai projektavus ar įvedus nereikalingas abstrakcijas. Kiekviena kodo eilutė yra galimybė atsirasti klaidai. Todėl paprastas, tiesioginis kodas yra daug geresnis už sudėtingą, sunkiai suprantamą kodą.

Nauda:

Pavyzdys: Projektuodami API, pasirinkite paprastą ir aiškų duomenų formatą, pvz., JSON, o ne sudėtingesnius formatus, pvz., XML, jei JSON atitinka jūsų reikalavimus. Taip pat venkite pernelyg sudėtingų projektavimo šablonų ar architektūrinių stilių, jei pakaktų paprastesnio požiūrio. Derindami gamybinę problemą, pirmiausia peržiūrėkite tiesioginius kodo kelius, prieš darydami prielaidą, kad tai yra sudėtingesnė problema.

5. Tau to neprireiks (YAGNI)

Koncepcija: Nepridėkite funkcionalumo, kol jo iš tikrųjų neprireiks. Venkite ankstyvo optimizavimo ir atsispirkite pagundai pridėti funkcijų, kurios, jūsų manymu, gali būti naudingos ateityje, bet šiandien nėra reikalingos. YAGNI skatina liesą ir lankstų požiūrį į kūrimą, sutelkiant dėmesį į vertės teikimą palaipsniui ir vengiant nereikalingo sudėtingumo. Tai verčia jus spręsti realias problemas, o ne hipotetines ateities problemas. Dažnai lengviau nuspėti dabartį nei ateitį.

Nauda:

Pavyzdys: Nepridėkite naujos mokėjimo sąsajos palaikymo savo elektroninės prekybos programoje, kol neturėsite realių klientų, kurie nori naudoti tą mokėjimo sąsają. Taip pat nepridėkite naujos kalbos palaikymo savo svetainėje, kol neturėsite didelio skaičiaus vartotojų, kalbančių ta kalba. Nustatykite funkcijų ir funkcionalumo prioritetus remdamiesi realiais vartotojų poreikiais ir verslo reikalavimais.

6. Demetros dėsnis (LoD)

Koncepcija: Modulis turėtų bendrauti tik su savo tiesioginiais bendradarbiais. Venkite prieigos prie objektų per metodų iškvietimų grandinę. LoD skatina laisvą susiejimą ir mažina priklausomybes tarp modulių. Tai skatina deleguoti atsakomybes savo tiesioginiams bendradarbiams, užuot kišusis į jų vidinę būseną. Tai reiškia, kad modulis turėtų kviesti tik metodus:

Nauda:

Pavyzdys: Užuot `Klientas` objektui tiesiogiai prieinant prie `Užsakymas` objekto adreso, deleguokite šią atsakomybę pačiam `Užsakymas` objektui. `Klientas` objektas turėtų bendrauti tik su `Užsakymas` objekto viešąja sąsaja, o ne su jo vidine būsena. Tai kartais vadinama „sakyk, neklausk“ (angl. "tell, don't ask").

7. Liskov pakeitimo principas (LSP)

Koncepcija: Potipiai turėtų būti pakeičiami savo baziniais tipais nepakeičiant programos teisingumo. Šis principas užtikrina, kad paveldėjimas naudojamas teisingai ir kad potipiai elgiasi nuspėjamai. Jei potipis pažeidžia LSP, tai gali sukelti netikėtą elgesį ir klaidas. LSP yra svarbus principas skatinant kodo pakartotinį panaudojamumą, plečiamumą ir prižiūrimumą. Jis leidžia kūrėjams užtikrintai plėsti ir modifikuoti sistemą neįvedant netikėtų šalutinių poveikių.

Nauda:

Pavyzdys: Jei turite bazinę klasę `Stačiakampis` su metodais pločio ir aukščio nustatymui, potipis, vadinamas `Kvadratas`, neturėtų perrašyti šių metodų taip, kad pažeistų `Stačiakampis` sutartį. Pavyzdžiui, nustatant `Kvadratas` plotį, taip pat turėtų būti nustatytas toks pat aukštis, užtikrinant, kad jis išliktų kvadratu. Jei taip nėra, pažeidžiamas LSP.

8. Sąsajų segregacijos principas (ISP)

Koncepcija: Klientai neturėtų būti verčiami priklausyti nuo metodų, kurių jie nenaudoja. Šis principas skatina kurti mažesnes, labiau sufokusuotas sąsajas, o ne dideles, monolitines sąsajas. Tai pagerina programinės įrangos sistemų lankstumą ir pakartotinį panaudojamumą. ISP leidžia klientams priklausyti tik nuo tų metodų, kurie jiems yra svarbūs, sumažinant pakeitimų poveikį kitoms sąsajos dalims. Tai taip pat skatina laisvą susiejimą ir palengvina sistemos priežiūrą bei tobulinimą.

Nauda:

  • Sumažintas susiejimas: Klientai yra mažiau priklausomi nuo sąsajos.
  • Pagerintas pakartotinis panaudojamumas: Mažesnes sąsajas lengviau pakartotinai naudoti.
  • Padidintas lankstumas: Klientai gali pasirinkti jiems reikalingas sąsajas.

    • Pavyzdys: Jei turite sąsają `Darbuotojas` su metodais dirbti, valgyti ir miegoti, klasės, kurioms reikia tik dirbti, neturėtų būti verčiamos įgyvendinti valgymo ir miegojimo metodų. Vietoj to, sukurkite atskiras sąsajas `GalintisDirbti`, `GalintisValgyti` ir `GalintisMiegoti`, ir leiskite klasėms įgyvendinti tik tas sąsajas, kurios joms yra aktualios.

    9. Kompozicija prieš paveldėjimą

    Koncepcija: Siekiant kodo pakartotinio panaudojamumo ir lankstumo, teikite pirmenybę kompozicijai, o ne paveldėjimui. Kompozicija apima paprastų objektų derinimą, siekiant sukurti sudėtingesnius objektus, o paveldėjimas apima naujų klasių kūrimą remiantis esamomis klasėmis. Kompozicija siūlo keletą pranašumų prieš paveldėjimą, įskaitant didesnį lankstumą, sumažintą susiejimą ir pagerintą testuojamumą. Ji leidžia keisti objekto elgesį vykdymo metu tiesiog pakeičiant jo komponentus.

    Nauda:

    Pavyzdys: Užuot kūrę `Gyvūnas` klasių hierarchiją su poklasiais `Šuo`, `Katė` ir `Paukštis`, sukurkite atskiras klases `Lojimas`, `Miaukimas` ir `Skraidymas` ir komponuokite šias klases su `Gyvūnas` klase, kad sukurtumėte skirtingų tipų gyvūnus. Tai leidžia lengvai pridėti naujų elgsenų gyvūnams nekeičiant esamos klasių hierarchijos.

    10. Aukšta sanglauda ir žemas susiejimas

    Koncepcija: Siekite aukštos sanglaudos modulių viduje ir žemo susiejimo tarp modulių. Sanglauda reiškia laipsnį, kuriuo modulio elementai yra susiję vienas su kitu. Aukšta sanglauda reiškia, kad modulio elementai yra glaudžiai susiję ir dirba kartu siekdami vieno, gerai apibrėžto tikslo. Susiejimas reiškia laipsnį, kuriuo moduliai priklauso vienas nuo kito. Žemas susiejimas reiškia, kad moduliai yra laisvai susiję ir gali būti modifikuojami nepriklausomai, nepaveikiant kitų modulių. Aukšta sanglauda ir žemas susiejimas yra būtini kuriant prižiūrimas, pakartotinai naudojamas ir testuojamas sistemas.

    Nauda:

    Pavyzdys: Projektuokite savo modulius taip, kad jie turėtų vieną, gerai apibrėžtą paskirtį ir kuo mažiau priklausytų nuo kitų modulių. Naudokite sąsajas moduliams atsieiti ir apibrėžti aiškias ribas tarp jų.

    11. Mastelio keitimas

    Koncepcija: Projektuokite sistemą taip, kad ji galėtų atlaikyti padidėjusią apkrovą ir srautą be didelio našumo sumažėjimo. Mastelio keitimas yra kritiškai svarbus sistemoms, kurios, tikimasi, augs laikui bėgant. Yra du pagrindiniai mastelio keitimo tipai: vertikalus mastelio keitimas (didinimas) ir horizontalus mastelio keitimas (platinimas). Vertikalus mastelio keitimas apima vieno serverio išteklių didinimą, pvz., pridedant daugiau procesoriaus, atminties ar saugyklos. Horizontalus mastelio keitimas apima daugiau serverių pridėjimą į sistemą. Didelėms sistemoms paprastai teikiama pirmenybė horizontaliam mastelio keitimui, nes jis siūlo geresnį atsparumą gedimams ir elastingumą.

    Nauda:

    Pavyzdys: Naudokite apkrovos balansavimą srautui paskirstyti tarp kelių serverių. Naudokite kaupimą talpykloje (angl. caching), kad sumažintumėte duomenų bazės apkrovą. Naudokite asinchroninį apdorojimą ilgai trunkančioms užduotims atlikti. Apsvarstykite galimybę naudoti paskirstytąją duomenų bazę duomenų saugyklos masteliui keisti.

    12. Patikimumas

    Koncepcija: Projektuokite sistemą taip, kad ji būtų atspari gedimams ir greitai atsigautų po klaidų. Patikimumas yra kritiškai svarbus sistemoms, kurios naudojamos gyvybiškai svarbiose programose. Yra keletas patikimumo didinimo būdų, įskaitant perteklių (angl. redundancy), replikaciją ir gedimų aptikimą. Perteklius apima kelių kritinių komponentų kopijų turėjimą. Replikacija apima kelių duomenų kopijų kūrimą. Gedimų aptikimas apima sistemos stebėjimą dėl klaidų ir automatinį korekcinių veiksmų atlikimą.

    Nauda:

    Pavyzdys: Naudokite kelis apkrovos balansavimo įrenginius srautui paskirstyti tarp kelių serverių. Naudokite paskirstytąją duomenų bazę duomenims replikuoti tarp kelių serverių. Įdiekite būsenos patikrinimus (angl. health checks), kad stebėtumėte sistemos būklę ir automatiškai paleistumėte iš naujo sugedusius komponentus. Naudokite grandinės pertraukiklius (angl. circuit breakers), kad išvengtumėte kaskadinių gedimų.

    13. Pasiekiamumas

    Koncepcija: Projektuokite sistemą taip, kad ji būtų prieinama vartotojams visą laiką. Pasiekiamumas yra kritiškai svarbus sistemoms, kurias naudoja pasauliniai vartotojai skirtingose laiko juostose. Yra keletas pasiekiamumo didinimo būdų, įskaitant perteklių, perjungimą gedimo atveju (angl. failover) ir apkrovos balansavimą. Perteklius apima kelių kritinių komponentų kopijų turėjimą. Perjungimas gedimo atveju apima automatinį perjungimą į atsarginį komponentą, kai pagrindinis komponentas sugenda. Apkrovos balansavimas apima srauto paskirstymą tarp kelių serverių.

    Nauda:

    Pavyzdys: Įdiekite sistemą keliuose regionuose visame pasaulyje. Naudokite turinio pristatymo tinklą (CDN), kad statinis turinys būtų kaupiamas talpykloje arčiau vartotojų. Naudokite paskirstytąją duomenų bazę duomenims replikuoti tarp kelių regionų. Įdiekite stebėseną ir įspėjimus, kad greitai aptiktumėte sutrikimus ir į juos reaguotumėte.

    14. Nuoseklumas

    Koncepcija: Užtikrinkite, kad duomenys būtų nuoseklūs visose sistemos dalyse. Nuoseklumas yra kritiškai svarbus sistemoms, kuriose yra keli duomenų šaltiniai arba kelios duomenų replikos. Yra keli skirtingi nuoseklumo lygiai, įskaitant stiprųjį nuoseklumą, galutinį nuoseklumą ir priežastinį nuoseklumą. Stiprusis nuoseklumas garantuoja, kad visi skaitymai grąžins naujausią įrašą. Galutinis nuoseklumas garantuoja, kad visi skaitymai galiausiai grąžins naujausią įrašą, tačiau gali būti delsa. Priežastinis nuoseklumas garantuoja, kad skaitymai grąžins įrašus, kurie yra priežastiniu ryšiu susiję su skaitymu.

    Nauda:

    Pavyzdys: Naudokite transakcijas, kad užtikrintumėte, jog kelios operacijos atliekamos atominiai. Naudokite dviejų fazių patvirtinimą (angl. two-phase commit), kad koordinuotumėte transakcijas tarp kelių duomenų šaltinių. Naudokite konfliktų sprendimo mechanizmus, kad tvarkytumėte konfliktus tarp konkuruojančių atnaujinimų.

    15. Našumas

    Koncepcija: Projektuokite sistemą taip, kad ji būtų greita ir reaguojanti. Našumas yra kritiškai svarbus sistemoms, kurias naudoja daug vartotojų arba kurios tvarko didelius duomenų kiekius. Yra keletas našumo didinimo būdų, įskaitant kaupimą talpykloje, apkrovos balansavimą ir optimizavimą. Kaupimas talpykloje apima dažnai naudojamų duomenų saugojimą atmintyje. Apkrovos balansavimas apima srauto paskirstymą tarp kelių serverių. Optimizavimas apima kodo ir algoritmų efektyvumo didinimą.

    Nauda:

    Pavyzdys: Naudokite kaupimą talpykloje, kad sumažintumėte duomenų bazės apkrovą. Naudokite apkrovos balansavimą srautui paskirstyti tarp kelių serverių. Optimizuokite kodą ir algoritmus, kad pagerintumėte našumą. Naudokite profiliavimo įrankius našumo problemoms nustatyti.

    Sistemų projektavimo principų taikymas praktikoje

    Štai keletas praktinių patarimų, kaip taikyti sistemų projektavimo principus savo projektuose:

    Išvada

    Sistemų projektavimo principų įvaldymas yra būtinas kuriant mastelį keičiančias, patikimas ir lengvai prižiūrimas sistemas. Suprasdami ir taikydami šiuos principus, galite sukurti sistemas, kurios atitinka jūsų vartotojų ir jūsų organizacijos poreikius. Nepamirškite sutelkti dėmesį į paprastumą, moduliškumą ir mastelio keitimą, taip pat testuoti anksti ir dažnai. Nuolat mokykitės ir prisitaikykite prie naujų technologijų bei geriausių praktikų, kad išliktumėte priekyje ir kurtumėte inovatyvias bei paveikias sistemas.

    Šis vadovas suteikia tvirtą pagrindą sistemų projektavimo principams suprasti ir taikyti. Atminkite, kad sistemų projektavimas yra iteratyvus procesas, ir turėtumėte nuolat tobulinti savo projektus, kai sužinote daugiau apie sistemą ir jos reikalavimus. Sėkmės kuriant jūsų kitą puikią sistemą!

    Sistemų projektavimo principų įvaldymas: išsamus vadovas pasaulinio lygio architektams | MLOG