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系统架构设计(三):质量属性

常见分类

一般来说,质量属性可以分为以下几类:

类别常见质量属性
性能相关响应时间、吞吐量、资源利用率、实时性、可扩展性
可用性相关可用性、高可用性(HA)、可靠性、容错性、恢复性
可维护性相关可维护性、可测试性、可扩展性、可配置性
安全性相关认证、授权、加密、完整性、审计
可用性体验相关易用性、国际化、多语言支持、可访问性
可部署性相关可部署性、可升级性、可回滚性
其他可移植性、互操作性、合规性、节能性

性能(Performance)

定义

系统响应请求的速度,处理数据的能力,系统在压力下的表现。

影响

  • 用户体验(卡顿、延迟)
  • 系统容量(能接多少并发)
  • 成本控制(性能差就要加机器)

设计策略

  • 负载均衡(如 Nginx)
  • 缓存设计(本地缓存、分布式缓存)
  • 异步处理(消息队列MQ)
  • 数据库优化(索引、分库分表、读写分离)
  • 限流、降级、熔断

常见模式

  • CQRS(Command Query Responsibility Segregation)
  • 数据预计算(如排行榜)
  • 写缓冲(Write-back cache)

可用性(Availability)

定义

系统能持续正常对外提供服务的能力,通常用「99.9%」、「五个9」来衡量。

影响

  • 业务连续性
  • 用户信任度

设计策略

  • 高可用架构(双机热备、主备切换)
  • 容灾设计(跨机房部署、跨云部署)
  • 自动故障转移(Auto Failover)
  • 心跳检测+健康检查
  • 灰度发布、滚动升级

常见模式

  • 冗余(Redundancy)
  • 集群(Cluster)
  • 冗错处理(Fault Tolerance)

可靠性(Reliability)

定义

系统能在特定时间段内,持续正确运行,无故障出错。

影响

  • 数据一致性
  • 服务稳定性

设计策略

  • 幂等性设计(重复请求不会出错)
  • 重试机制(带指数退避)
  • 服务超时+超时重试
  • 分布式事务控制(TCC、SAGA)

常见模式

  • 三权分立架构(隔离控制、数据、业务)
  • 最终一致性(如BASE理论)

可维护性(Maintainability)

定义

系统容易修改、扩展、排查、修复的能力。

影响

  • 研发效率
  • 上线速度
  • Bug修复时间

设计策略

  • 良好的模块化(高内聚,低耦合)
  • 代码规范、架构规范
  • 日志可追踪、统一监控
  • 统一异常处理机制
  • 自动化测试

常见模式

  • 微服务(Microservices)
  • 分层架构(Layered Architecture)
  • 插件式架构(Plugin Architecture)

安全性(Security)

定义

保护系统资源免受未授权访问或破坏的能力。

影响

  • 法规合规(GDPR、等保)
  • 公司信誉

设计策略

  • 身份认证(OAuth2.0、JWT)
  • 权限控制(RBAC、ABAC)
  • HTTPS加密
  • 防护策略(防SQL注入、防XSS、防CSRF)
  • 审计日志记录

常见模式

  • 零信任架构(Zero Trust Architecture)
  • 最小权限原则(Principle of Least Privilege)

可扩展性(Scalability)

定义

系统在业务增长、用户量增加时,能够顺利扩展的能力。

影响

  • 系统生命周期
  • 成本控制

设计策略

  • 水平扩展(scale-out)优先
  • 无状态设计(Stateless)
  • 动态伸缩(Auto Scaling)
  • 分布式计算(MapReduce、Spark)

常见模式

  • 微服务架构
  • 分布式缓存(Redis Cluster)

可测试性(Testability)

定义

系统能够被有效地验证和验证改动是否正确的能力。

影响

  • 质量保障
  • 迭代速度

设计策略

  • 单元测试(Unit Test)
  • 接口测试(API Test)
  • 自动化测试(CI/CD集成测试)
  • Mock、Stub测试
  • 分层测试(金字塔测试模型)

常见模式

  • TDD(Test Driven Development)
  • Mocking Pattern

可部署性(Deployability)

定义

系统新版本发布、回滚的便利性和稳定性。

影响

  • 发布风险
  • 运维成本

设计策略

  • 容器化(Docker/K8s)
  • 灰度发布、蓝绿部署
  • 无停机部署(Zero Downtime Deployment)
  • 回滚机制

常见模式

  • DevOps流程
  • GitOps部署模式

其他质量属性(补充)

质量属性简单说明
可移植性(Portability)系统能否轻松运行在不同环境上
国际化(Internationalization)是否支持多语言、多币种
节能性(Energy Efficiency)系统资源利用率,能耗控制
合规性(Compliance)是否符合行业规范、法律要求
互操作性(Interoperability)能否与第三方系统集成

质量属性与架构设计映射表

质量属性对应的架构设计实践 / 策略
性能(Performance)- 负载均衡(Nginx、HAProxy) - 缓存(Redis、本地缓存) - 异步处理(MQ、异步编程) - 数据库优化(读写分离、分库分表) - 前端性能优化(CDN、懒加载)
可用性(Availability)- 双活部署、主备切换 - 心跳检测+健康检查 - 容灾设计(跨机房、跨地域) - 负载均衡故障转移
可靠性(Reliability)- 幂等设计 - 自动重试+超时处理 - 日志追踪 - 容错机制(如断路器模式)
可维护性(Maintainability)- 模块化设计(DDD、清晰边界) - 单一职责原则(SRP) - 自动化测试覆盖 - 标准化日志/监控体系
安全性(Security)- 身份认证(OAuth2.0、SSO) - 接口鉴权(JWT、API Key) - 数据加密(传输+存储) - 防护措施(防SQL注入/XSS/CSRF) - 最小权限原则
可扩展性(Scalability)- 无状态服务(Stateless) - 微服务架构 - 服务拆分+数据库拆分 - 动态水平扩展(Auto Scaling)
可测试性(Testability)- 单元测试、集成测试、端到端测试(E2E) - 测试金字塔设计 - Mock/Stub/Spy技术 - 接口可模拟
可部署性(Deployability)- 容器化部署(Docker/Kubernetes) - 蓝绿部署、灰度发布 - 自动化部署(CI/CD流水线) - 快速回滚机制
可移植性(Portability)- 容器编排(K8s、Docker Compose) - 云中立设计(避免厂商锁定) - 抽象平台层(Platform Abstraction)
节能性(Energy Efficiency)- 资源弹性伸缩(如按需启动实例) - 低功耗算法优化 - 服务按量自动关停/启用
互操作性(Interoperability)- 标准化接口(RESTful、gRPC) - API网关(API Gateway) - 使用开放标准(OAuth、OpenID、SOAP等)

常用设计模式与质量属性快速对照表

设计模式主要改善的质量属性
负载均衡(Load Balancer)性能、可用性
微服务架构(Microservices)可扩展性、可维护性
熔断器模式(Circuit Breaker)可靠性、可用性
分层架构(Layered Architecture)可维护性、可扩展性
事件驱动架构(EDA)性能、可扩展性
服务注册与发现(Service Discovery)可扩展性、可部署性
零信任安全(Zero Trust)安全性
读写分离(Read/Write Splitting)性能、可靠性

常见系统对应质量属性优先级表

系统类型质量属性优先级(高 → 低)备注说明
支付系统(如微信支付、支付宝)安全性 > 可靠性 > 可用性 > 性能 > 可维护性安全第一(资金安全至上),然后要确保交易正确、不中断。
电商系统(如淘宝、京东)性能 > 可扩展性 > 可用性 > 可靠性 > 安全性双11秒杀场景,性能和扩展性压倒一切,安全重要但次之。
实时聊天系统(如微信、Slack)可用性 > 性能 > 可靠性 > 安全性 > 可维护性保证实时沟通不中断,秒开秒发,安全在可接受范围内保证。
视频监控系统(如安防摄像头平台)实时性 > 可用性 > 可扩展性 > 可靠性 > 性能实时流畅直播最重要,能容忍少量数据丢失(如低延时优先)。
SaaS管理系统(如企业ERP/CRM)可维护性 > 可扩展性 > 可用性 > 安全性 > 性能业务变化快,需要灵活维护、快速上线,性能一般要求不极端。
大数据平台(如Hadoop/Spark平台)可扩展性 > 性能 > 可靠性 > 可维护性 > 安全性处理海量数据,扩展性压倒一切,其次是计算效率。
游戏后端(如王者荣耀服务器)性能 > 可用性 > 安全性 > 可靠性 > 可维护性游戏体验感最重要,卡顿/延迟直接影响用户流失。
在线教育平台(如慕课网、学而思)可用性 > 性能 > 安全性 > 可维护性 > 可扩展性要求稳定流畅,体验感良好,数据保护(隐私)也很重要。
IoT物联网平台(如智能家居中心)可靠性 > 可扩展性 > 安全性 > 性能 > 可维护性设备多、环境复杂,首先要保证设备间稳定通信。
短视频平台(如抖音、快手)性能 > 可用性 > 可扩展性 > 安全性 > 可维护性视频播放流畅最重要,秒开秒播是基本要求。

总结

每个系统架构都是一场关于质量属性的权衡和妥协。

通常选2~3个最重要的质量属性作为设计重点,比如:

  • 金融系统:安全性 > 可用性 > 可靠性
  • 电商系统:性能 > 可扩展性 > 可维护性
  • 视频监控系统:实时性 > 可用性 > 可扩展性

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