从蛋糕店的例子，学习软件系统设计

系统设计现在基本上是程序员面试必考的问题。假如你对系统设计没有概念，让我们透过这篇文章，用蛋糕店的例子带你理解在软件系统设计时要考量的点。

假如今天你是位手艺了得的蛋糕师傅，你决定自己出来创业开蛋糕店。一开始你只有自己一个人，所以什么都要自己来，需要自己买材料、做蛋糕、顾店等等。显然假如只有自己一个人，当客人一多就会忙不过来。这跟软件系统一样，假如只有一个单机服务器，流量一大就会有撑不住的状况。

如何扩展?

这时就要思考如何规模化。一种方式是你每天喝红牛，让自己保持满血状态一个打十个；在系统设计上这叫垂直扩展，就是把单一机器的性能提升，让机器能承载更大的流量。然而就像人喝红牛还是有个极限，单一机器升级也是有其极限所在。因此多数时候，你会需要考虑水平扩展。

所谓的水平扩展是指多加机器，来乘载更大的流量。在蛋糕店中，你可以多雇用更多人，让每个人分担你的工作量，这样你就不需用每天灌红牛来一打十。然而，当你雇用人来帮你分担工作，你就需要确保每个人的工作量平均，才不会有人很闲，但有人操得要死做后离职。

选择水平扩展的方式也是如此，当你有多台机器时，你要确保机器能平均分配到要处理的流量，才不会有的机器闲置没在运作，但是有的机器处理量爆多导致应付不来。在系统设计中，我们会加入平衡负载器 (Load Balancer) 来解决这件事，透过平衡负载器，能够有效让机器平均分担要处理的量。

从蛋糕师傅晋升蛋糕店长的你，如今顾了人也确保大家不会太闲与太操，好像就可以安心退居幕后了? 当然这样如意算盘就打得太早，要规模化蛋糕店的事业，还有很多面向要顾及。举例来说，假如要把服务的客人从原本在某个县市，拓展到全国，就会遇到一些问题。

如何加快速度?

有些蛋糕店是不开分店，坚持要由本店制作再外送到全国各地，但是这会导致在比较远的客人，总是需要等很久才能收到订购的蛋糕。要解决这问题，可以在各地开分店，先把中央工厂做好的蛋糕送到分店，这样客人要订购时，就近把蛋糕送给在当地的客人。在系统设计上，(cache) 也是扮演相似的角色，在客户端要拿资料时，就近跟快取拿，而不用跟资料库拿，就能加快响应时间。

当蛋糕店生意越做越好，可能会想要多角化服务，像是许多蛋糕店现在也会同时卖饮料。而饮料是要现点现做的，当现场客人多的时候，就会遇到客人要等的状况。但在做手摇饮的现场通常混乱，要如何有效分派哪个工读生泡哪杯饮料呢?

很简单，现在许多手摇饮店，会依照客人点饮料的顺序，把要制作饮料的单号按照先来后到的顺序贴在成一排，先贴的单号会先被有空挡的工读生拿下来开始制作。只要该工读生一泡完手上那杯，就再去拿目前最前面的待做饮料。

如何有效处理繁多的任务?

在系统设计中，队列 (queue) 的机制，也是类似的方式。所谓的队列是先进先出，就像饮料店的做，先点的客人的单子会先被处理。在队列的机制下，就可以有效让多个 workers 去处理在队列中的任务，先放到队列的任务先被处理。而处理完手边任务的 worker，就去处理目前在队列中最前面的那个任务。透过队列的机制，让管理工读生们变得轻松许多。

在导入了许多机制后，蛋糕店运作相当顺利。然而很多时候意外是不可预知的，例如某个地区的店突然遇到店面被闪电打到，以至于电力系统出问题没办法正常营业。这时来店的客人就会扑空买不到蛋糕。总店为了解决这问题，导入一个即时监控与通报机制，当某间店有意外出现时，赶紧调派人手到现场把客人引导去邻近分店，让客人还是能就近买到蛋糕。

在软件系统中，也会需要有观测 (observability) 平台，来做即时记录 (logging)，以及指标 (metrics) 监控，还有警报 (alarm) 发出，确保系统的整体稳定度，不会因为单一个服务挂掉而导致客户端请求没办法被处理。

有了监控报警系统，蛋糕店创始人对于整个品牌的稳定度感到放心许多，似乎可以好好退居幕后了。当然事情没那么简单，身为蛋糕店经营者，在运营蛋糕店时有非常多决策考量。接着我们将进一步从决策者的角度，来谈在真实世界的系统设计，有哪些重要的考量点。