Опановуємо принципи проєктування систем: вичерпний посібник для глобальних архітекторів

У сучасному взаємопов’язаному світі створення надійних і масштабованих систем є вирішальним для будь-якої організації з глобальною присутністю. Проєктування системи — це процес визначення архітектури, модулів, інтерфейсів і даних для системи з метою задоволення конкретних вимог. Глибоке розуміння принципів проєктування систем є важливим для архітекторів програмного забезпечення, розробників і всіх, хто бере участь у створенні та підтримці складних програмних систем. Цей посібник надає вичерпний огляд ключових принципів проєктування систем, найкращих практик і реальних прикладів, щоб допомогти вам створювати масштабовані, надійні та підтримувані системи.

Чому принципи проєктування систем важливі

Застосування правильних принципів проєктування систем пропонує численні переваги, зокрема:

• Покращена масштабованість: Системи можуть витримувати зростаючі навантаження та трафік користувачів без зниження продуктивності.
• Підвищена надійність: Системи є більш стійкими до збоїв і можуть швидко відновлюватися після помилок.
• Зменшена складність: Системи легше розуміти, підтримувати та розвивати з часом.
• Підвищена ефективність: Системи ефективно використовують ресурси, мінімізуючи витрати та максимізуючи продуктивність.
• Краща співпраця: Чітко визначені архітектури сприяють комунікації та співпраці між командами розробників.
• Скорочений час розробки: Коли патерни та принципи добре зрозумілі, час розробки може значно скоротитися.

Ключові принципи проєктування систем

Ось кілька фундаментальних принципів проєктування систем, які слід враховувати при розробці ваших систем:

1. Розділення відповідальності (SoC)

Концепція: Розділіть систему на окремі модулі або компоненти, кожен з яких відповідає за певну функціональність або аспект системи. Цей принцип є фундаментальним для досягнення модульності та підтримуваності. Кожен модуль повинен мати чітко визначену мету та мінімізувати свої залежності від інших модулів. Це призводить до кращої тестованості, повторного використання та загальної чіткості системи.

Переваги:

• Покращена модульність: Кожен модуль є незалежним і самодостатнім.
• Покращена підтримуваність: Зміни в одному модулі мають мінімальний вплив на інші модулі.
• Підвищена можливість повторного використання: Модулі можна повторно використовувати в різних частинах системи або в інших системах.
• Спрощене тестування: Модулі можна тестувати незалежно.

Приклад: У додатку для електронної комерції розділіть відповідальності, створивши окремі модулі для автентифікації користувачів, управління каталогом товарів, обробки замовлень та інтеграції з платіжним шлюзом. Модуль автентифікації користувачів відповідає за вхід та авторизацію, модуль каталогу товарів керує інформацією про товари, модуль обробки замовлень займається створенням та виконанням замовлень, а модуль інтеграції з платіжним шлюзом обробляє платежі.

2. Принцип єдиної відповідальності (SRP)

Концепція: Модуль або клас повинен мати лише одну причину для змін. Цей принцип тісно пов'язаний з SoC і зосереджений на тому, щоб кожен модуль або клас мав єдину, чітко визначену мету. Якщо модуль має кілька відповідальностей, його стає важче підтримувати, і він, швидше за все, буде зачеплений змінами в інших частинах системи. Важливо вдосконалювати модулі, щоб вони містили відповідальність у найменшій функціональній одиниці.

Переваги:

• Зменшена складність: Модулі легше розуміти та підтримувати.
• Покращена зв'язність: Модулі зосереджені на єдиній меті.
• Підвищена тестованість: Модулі легше тестувати.

Приклад: У системі звітності один клас не повинен відповідати одночасно за генерацію звітів та їх надсилання електронною поштою. Замість цього створіть окремі класи для генерації звітів та надсилання електронних листів. Це дозволяє змінювати логіку генерації звітів, не впливаючи на функціональність надсилання пошти, і навпаки. Це підтримує загальну підтримуваність та гнучкість модуля звітності.

3. Не повторюйся (DRY)

Концепція: Уникайте дублювання коду або логіки. Натомість інкапсулюйте спільну функціональність у компоненти або функції для повторного використання. Дублювання призводить до збільшення витрат на підтримку, оскільки зміни потрібно вносити в кількох місцях. DRY сприяє повторному використанню коду, узгодженості та підтримуваності. Будь-яке оновлення або зміна спільної процедури чи компонента буде автоматично застосовано в усьому додатку.

Переваги:

• Зменшення розміру коду: Менше коду для підтримки.
• Покращена узгодженість: Зміни застосовуються послідовно по всій системі.
• Зниження витрат на підтримку: Легше підтримувати та оновлювати систему.

Приклад: Якщо у вас є кілька модулів, яким потрібен доступ до бази даних, створіть спільний шар доступу до даних або утилітарний клас, який інкапсулює логіку підключення до бази даних. Це дозволяє уникнути дублювання коду підключення до бази даних у кожному модулі та гарантує, що всі модулі використовують однакові параметри підключення та механізми обробки помилок. Альтернативним підходом є використання ORM (Object-Relational Mapper), наприклад, Entity Framework або Hibernate.

4. Роби це простіше, дурнику (KISS)

Концепція: Проєктуйте системи якомога простішими. Уникайте непотрібної складності та прагніть до простоти й чіткості. Складні системи важче розуміти, підтримувати та налагоджувати. KISS заохочує вас обирати найпростіше рішення, яке відповідає вимогам, а не займатися надмірним проєктуванням чи вводити непотрібні абстракції. Кожен рядок коду — це можливість виникнення помилки. Тому простий, прямий код набагато кращий за складний, важкий для розуміння код.

Переваги:

• Зменшена складність: Системи легше розуміти та підтримувати.
• Покращена надійність: Простіші системи менш схильні до помилок.
• Швидша розробка: Простіші системи швидше розробляти.

Приклад: При проєктуванні API обирайте простий і зрозумілий формат даних, як-от JSON, замість складніших форматів, як-от XML, якщо JSON відповідає вашим вимогам. Так само уникайте використання надто складних патернів проєктування або архітектурних стилів, якщо достатньо простішого підходу. При налагодженні проблеми в продакшені спочатку перевіряйте прямі шляхи виконання коду, перш ніж припускати, що це більш складна проблема.

5. Вам це не знадобиться (YAGNI)

Концепція: Не додавайте функціональність, доки вона дійсно не знадобиться. Уникайте передчасної оптимізації та втримайтеся від спокуси додавати функції, які, на вашу думку, можуть бути корисними в майбутньому, але не потрібні сьогодні. YAGNI сприяє ощадливому та гнучкому підходу до розробки, зосереджуючись на поступовій доставці цінності та уникненні непотрібної складності. Це змушує вас вирішувати реальні проблеми, а не гіпотетичні майбутні. Часто легше передбачити сьогодення, ніж майбутнє.

Переваги:

• Зменшена складність: Системи простіші та легші в підтримці.
• Швидша розробка: Зосередження на швидкій доставці цінності.
• Зменшений ризик: Уникнення марнування часу на функції, які можуть ніколи не використовуватися.

Приклад: Не додавайте підтримку нового платіжного шлюзу до вашого e-commerce додатку, доки у вас не з'являться реальні клієнти, які хочуть ним користуватися. Аналогічно, не додавайте підтримку нової мови на ваш сайт, доки у вас не буде значної кількості користувачів, які нею розмовляють. Пріоритезуйте функції та функціональності на основі реальних потреб користувачів та бізнес-вимог.

6. Закон Деметри (LoD)

Концепція: Модуль повинен взаємодіяти лише зі своїми безпосередніми колабораторами. Уникайте доступу до об'єктів через ланцюжок викликів методів. LoD сприяє слабкому зв'язку (loose coupling) та зменшує залежності між модулями. Він заохочує вас делегувати відповідальність своїм прямим колабораторам, а не втручатися в їхній внутрішній стан. Це означає, що модуль повинен викликати методи лише:

• Себе самого
• Об'єктів, що є його параметрами
• Будь-яких об'єктів, які він створює
• Своїх безпосередніх компонентних об'єктів

Переваги:

• Зменшення зв'язаності: Модулі менш залежні один від одного.
• Покращена підтримуваність: Зміни в одному модулі мають мінімальний вплив на інші модулі.
• Підвищена можливість повторного використання: Модулі легше повторно використовувати в різних контекстах.

Приклад: Замість того, щоб об'єкт `Customer` напряму отримував доступ до адреси об'єкта `Order`, делегуйте цю відповідальність самому об'єкту `Order`. Об'єкт `Customer` повинен взаємодіяти лише з публічним інтерфейсом об'єкта `Order`, а не з його внутрішнім станом. Це іноді називають принципом "наказуй, не питай" (tell, don't ask).

7. Принцип підстановки Лісков (LSP)

Концепція: Підтипи повинні бути взаємозамінними зі своїми базовими типами, не змінюючи коректності програми. Цей принцип гарантує правильне використання успадкування та передбачувану поведінку підтипів. Якщо підтип порушує LSP, це може призвести до несподіваної поведінки та помилок. LSP є важливим принципом для сприяння повторному використанню коду, розширюваності та підтримуваності. Він дозволяє розробникам впевнено розширювати та змінювати систему, не вносячи несподіваних побічних ефектів.

Переваги:

• Покращена можливість повторного використання: Підтипи можна використовувати взаємозамінно з їхніми базовими типами.
• Покращена розширюваність: Нові підтипи можна додавати, не впливаючи на існуючий код.
• Зменшений ризик: Гарантується, що підтипи поводитимуться передбачуваним чином.

Приклад: Якщо у вас є базовий клас `Rectangle` з методами для встановлення ширини та висоти, підтип `Square` не повинен перевизначати ці методи таким чином, щоб порушити контракт `Rectangle`. Наприклад, встановлення ширини для `Square` повинно також встановлювати висоту на те саме значення, гарантуючи, що він залишається квадратом. Якщо це не так, це порушує LSP.

8. Принцип розділення інтерфейсів (ISP)

Концепція: Клієнти не повинні бути змушені залежати від методів, які вони не використовують. Цей принцип заохочує створювати менші, більш сфокусовані інтерфейси замість великих, монолітних. Це покращує гнучкість та можливість повторного використання програмних систем. ISP дозволяє клієнтам залежати лише від тих методів, які є для них актуальними, мінімізуючи вплив змін на інші частини інтерфейсу. Він також сприяє слабкому зв'язку та робить систему легшою для підтримки та розвитку.

Переваги:

Зменшення зв'язаності: Клієнти менш залежні від інтерфейсу.

Покращена можливість повторного використання: Менші інтерфейси легше повторно використовувати.

Підвищена гнучкість: Клієнти можуть обирати ті інтерфейси, які їм потрібні.

Приклад: Якщо у вас є інтерфейс `Worker` з методами для роботи, їжі та сну, класи, яким потрібно лише працювати, не повинні бути змушені реалізовувати методи для їжі та сну. Замість цього створіть окремі інтерфейси для `Workable`, `Eatable` та `Sleepable`, і нехай класи реалізують лише ті інтерфейси, які для них актуальні.

9. Композиція замість успадкування

Концепція: Надавайте перевагу композиції над успадкуванням для досягнення повторного використання коду та гнучкості. Композиція передбачає поєднання простих об'єктів для створення складніших, тоді як успадкування — створення нових класів на основі існуючих. Композиція пропонує кілька переваг над успадкуванням, включаючи підвищену гнучкість, зменшену зв'язаність та покращену тестованість. Вона дозволяє змінювати поведінку об'єкта під час виконання, просто замінюючи його компоненти.

Переваги:

• Підвищена гнучкість: Об'єкти можна компонувати різними способами для досягнення різної поведінки.
• Зменшена зв'язаність: Об'єкти менш залежні один від одного.
• Покращена тестованість: Об'єкти можна тестувати незалежно.

Приклад: Замість створення ієрархії класів `Animal` з підкласами для `Dog`, `Cat` та `Bird`, створіть окремі класи для `Barking`, `Meowing` та `Flying` і компонуйте ці класи з класом `Animal` для створення різних типів тварин. Це дозволяє легко додавати нові поведінки тваринам, не змінюючи існуючу ієрархію класів.

10. Висока зв'язність та низьке зчеплення

Концепція: Прагніть до високої зв'язності всередині модулів та низького зчеплення між ними. Зв'язність (cohesion) — це ступінь, до якого елементи всередині модуля пов'язані між собою. Висока зв'язність означає, що елементи в модулі тісно пов'язані та працюють разом для досягнення єдиної, чітко визначеної мети. Зчеплення (coupling) — це ступінь, до якого модулі залежать один від одного. Низьке зчеплення означає, що модулі слабо пов'язані і можуть бути змінені незалежно, не впливаючи на інші модулі. Висока зв'язність та низьке зчеплення є важливими для створення підтримуваних, повторно використовуваних та тестованих систем.

Переваги:

• Покращена підтримуваність: Зміни в одному модулі мають мінімальний вплив на інші модулі.
• Підвищена можливість повторного використання: Модулі можна повторно використовувати в різних контекстах.
• Спрощене тестування: Модулі можна тестувати незалежно.

Приклад: Проєктуйте свої модулі так, щоб вони мали єдину, чітко визначену мету та мінімізували свої залежності від інших модулів. Використовуйте інтерфейси для роз'єднання модулів та визначення чітких меж між ними.

11. Масштабованість

Концепція: Проєктуйте систему так, щоб вона могла витримувати зростаюче навантаження та трафік без значного погіршення продуктивності. Масштабованість є критично важливим фактором для систем, які, як очікується, зростатимуть з часом. Існує два основних типи масштабованості: вертикальна (scaling up) та горизонтальна (scaling out). Вертикальна масштабованість передбачає збільшення ресурсів одного сервера, наприклад, додавання більшої кількості ЦП, пам'яті або сховища. Горизонтальна масштабованість передбачає додавання більшої кількості серверів до системи. Горизонтальна масштабованість, як правило, є кращим варіантом для великомасштабних систем, оскільки вона пропонує кращу відмовостійкість та еластичність.

Переваги:

• Покращена продуктивність: Системи можуть витримувати зростаюче навантаження без погіршення продуктивності.
• Підвищена доступність: Системи можуть продовжувати працювати навіть при збої деяких серверів.
• Зменшення витрат: Системи можна масштабувати вгору або вниз за потребою для задоволення мінливих вимог.

Приклад: Використовуйте балансування навантаження для розподілу трафіку між кількома серверами. Використовуйте кешування для зменшення навантаження на базу даних. Використовуйте асинхронну обробку для виконання довготривалих завдань. Розгляньте можливість використання розподіленої бази даних для масштабування сховища даних.

12. Надійність

Концепція: Проєктуйте систему так, щоб вона була відмовостійкою та швидко відновлювалася після помилок. Надійність є критично важливим фактором для систем, що використовуються в критично важливих додатках. Існує кілька методів для підвищення надійності, включаючи резервування, реплікацію та виявлення збоїв. Резервування передбачає наявність кількох копій критичних компонентів. Реплікація — створення кількох копій даних. Виявлення збоїв — моніторинг системи на наявність помилок та автоматичне вжиття заходів для їх виправлення.

Переваги:

• Зменшення часу простою: Системи можуть продовжувати працювати навіть при збої деяких компонентів.
• Покращена цілісність даних: Дані захищені від пошкодження та втрати.
• Підвищена задоволеність користувачів: Користувачі рідше стикаються з помилками або перебоями в роботі.

Приклад: Використовуйте кілька балансувальників навантаження для розподілу трафіку між кількома серверами. Використовуйте розподілену базу даних для реплікації даних на кількох серверах. Впроваджуйте перевірки стану здоров'я (health checks) для моніторингу стану системи та автоматичного перезапуску компонентів, що вийшли з ладу. Використовуйте автоматичні вимикачі (circuit breakers) для запобігання каскадним збоям.

13. Доступність

Концепція: Проєктуйте систему так, щоб вона була доступною для користувачів у будь-який час. Доступність є критично важливим фактором для систем, якими користуються глобальні користувачі в різних часових поясах. Існує кілька методів підвищення доступності, включаючи резервування, аварійне перемикання (failover) та балансування навантаження. Резервування передбачає наявність кількох копій критичних компонентів. Аварійне перемикання — це автоматичний перехід на резервний компонент при збої основного. Балансування навантаження — розподіл трафіку між кількома серверами.

Переваги:

• Підвищена задоволеність користувачів: Користувачі можуть отримати доступ до системи, коли їм це потрібно.
• Покращена безперервність бізнесу: Система може продовжувати працювати навіть під час збоїв.
• Зменшення втрат доходу: Система може продовжувати генерувати дохід навіть під час збоїв.

Приклад: Розгортайте систему в кількох регіонах по всьому світу. Використовуйте мережу доставки контенту (CDN) для кешування статичного контенту ближче до користувачів. Використовуйте розподілену базу даних для реплікації даних у кількох регіонах. Впроваджуйте моніторинг та оповіщення для швидкого виявлення та реагування на збої.

14. Узгодженість

Концепція: Забезпечте узгодженість даних у всіх частинах системи. Узгодженість є критично важливим фактором для систем, що включають кілька джерел даних або кілька реплік даних. Існує кілька різних рівнів узгодженості, включаючи строгу узгодженість, кінцеву узгодженість та причинну узгодженість. Строга узгодженість гарантує, що всі операції читання повернуть найновіший запис. Кінцева узгодженість гарантує, що всі операції читання з часом повернуть найновіший запис, але може бути затримка. Причинна узгодженість гарантує, що операції читання повернуть записи, які причинно пов'язані з читанням.

Переваги:

• Покращена цілісність даних: Дані захищені від пошкодження та втрати.
• Підвищена задоволеність користувачів: Користувачі бачать узгоджені дані у всіх частинах системи.
• Зменшення помилок: Система з меншою ймовірністю видаватиме неправильні результати.

Приклад: Використовуйте транзакції, щоб забезпечити атомарне виконання кількох операцій. Використовуйте двофазний коміт для координації транзакцій між кількома джерелами даних. Використовуйте механізми вирішення конфліктів для обробки конфліктів між одночасними оновленнями.

15. Продуктивність

Концепція: Проєктуйте систему так, щоб вона була швидкою та чутливою. Продуктивність є критично важливим фактором для систем, якими користується велика кількість користувачів або які обробляють великі обсяги даних. Існує кілька методів для підвищення продуктивності, включаючи кешування, балансування навантаження та оптимізацію. Кешування передбачає зберігання даних, до яких часто звертаються, у пам'яті. Балансування навантаження — розподіл трафіку між кількома серверами. Оптимізація — підвищення ефективності коду та алгоритмів.

Переваги:

• Покращений користувацький досвід: Користувачі з більшою ймовірністю будуть використовувати систему, яка є швидкою та чутливою.
• Зменшення витрат: Більш ефективна система може зменшити витрати на обладнання та експлуатацію.
• Підвищена конкурентоспроможність: Швидша система може надати вам конкурентну перевагу.

Приклад: Використовуйте кешування для зменшення навантаження на базу даних. Використовуйте балансування навантаження для розподілу трафіку між кількома серверами. Оптимізуйте код та алгоритми для підвищення продуктивності. Використовуйте інструменти профілювання для виявлення вузьких місць у продуктивності.

Застосування принципів проєктування систем на практиці

Ось кілька практичних порад щодо застосування принципів проєктування систем у ваших проєктах:

• Почніть з вимог: Зрозумійте вимоги до системи, перш ніж почати її проєктувати. Це включає функціональні вимоги, нефункціональні вимоги та обмеження.
• Використовуйте модульний підхід: Розбийте систему на менші, більш керовані модулі. Це полегшує розуміння, підтримку та тестування системи.
• Застосовуйте патерни проєктування: Використовуйте усталені патерни проєктування для вирішення поширених проблем проєктування. Патерни проєктування надають багаторазові рішення для повторюваних проблем і можуть допомогти вам створити більш надійні та підтримувані системи.
• Враховуйте масштабованість та надійність: Проєктуйте систему масштабованою та надійною з самого початку. Це заощадить ваш час та гроші в довгостроковій перспективі.
• Тестуйте рано і часто: Тестуйте систему на ранніх етапах і часто, щоб виявляти та виправляти проблеми, перш ніж їх виправлення стане надто дорогим.
• Документуйте проєкт: Документуйте проєкт системи, щоб інші могли його зрозуміти та підтримувати.
• Приймайте принципи Agile: Гнучка розробка (Agile) наголошує на ітеративній розробці, співпраці та постійному вдосконаленні. Застосовуйте принципи Agile у процесі проєктування системи, щоб гарантувати, що система відповідає потребам її користувачів.

Висновок

Опанування принципів проєктування систем є важливим для створення масштабованих, надійних та підтримуваних систем. Розуміючи та застосовуючи ці принципи, ви можете створювати системи, які відповідають потребам ваших користувачів та вашої організації. Не забувайте зосереджуватися на простоті, модульності та масштабованості, а також тестувати рано і часто. Постійно навчайтеся та адаптуйтеся до нових технологій та найкращих практик, щоб залишатися на крок попереду та створювати інноваційні та впливові системи.

Цей посібник надає міцну основу для розуміння та застосування принципів проєктування систем. Пам'ятайте, що проєктування системи — це ітеративний процес, і ви повинні постійно вдосконалювати свої проєкти, дізнаючись більше про систему та її вимоги. Успіхів у створенні вашої наступної чудової системи!