Source: https://www.tuanh.net/blog/oop/unlock-the-secrets-designing-systems-to-handle-10-million-transactions-daily

Bạn đang gặp khó khăn trong việc mở rộng hệ thống của mình một cách hiệu quả? Khám phá những cạm bẫy ẩn giấu và những yếu tố bị bỏ qua có thể đang cản trở sự mở rộng mượt mà của hệ thống.

Trong bài viết này, tôi sẽ tiết lộ những bí mật thường bị bỏ qua, làm rõ các vấn đề phổ biến về khả năng mở rộng và cung cấp những hiểu biết thực tiễn để giúp bạn vượt qua chúng. Dù bạn đang đối mặt với các giới hạn kiến trúc, điểm nghẽn tài nguyên, hay thách thức cấu hình, hướng dẫn này sẽ trang bị cho bạn kiến thức cần thiết để mở rộng hệ thống một cách tự tin và hiệu quả.

1. Chuyện của Mike

Mike, người bạn của tôi, đã đầu tư vào chứng khoán và thu về một khoản tiền lớn. Với số tiền đó, anh đã quyết định xây dựng một ngôi nhà để gia đình bốn người của anh có thể sống trong một nơi trú ẩn tiện nghi. Niềm vui của Mike khi ngôi nhà cuối cùng cũng hoàn thành thật khó diễn tả bằng lời. Là bạn thân, tôi là người đầu tiên được anh mời đến thăm tổ ấm mới của mình. Chúng tôi đã có một buổi tối dài trò chuyện về những kế hoạch tương lai, và Mike không ngừng tự hào khoe về ngôi nhà mới của anh.

Anh ấy đã thuê một kỹ sư xây dựng dày dạn kinh nghiệm để đảm bảo rằng công trình được thực hiện một cách hoàn hảo nhất, và điều này khiến tôi cảm thấy rất vui mừng cho anh. Trong suốt ba năm qua, tôi luôn nghĩ rằng mọi thứ đều ổn định và ngôi nhà của Mike đang mang lại hạnh phúc cho gia đình anh.

Tuy nhiên, khi tôi quay lại thăm Mike sau ba năm, tôi nhận thấy một vẻ buồn bã trên gương mặt anh. Mike chia sẻ rằng ngôi nhà đã bị hư hại nghiêm trọng. Tôi ngạc nhiên hỏi lý do, vì chỉ mới ba năm trôi qua, nhưng Mike giải thích rằng ngôi nhà nằm quá gần đường, khiến cho các xe container qua lại tạo ra chấn động lớn. Móng nhà không được xây dựng vững chắc, dẫn đến việc xuất hiện nhiều vết nứt trên tường và các cấu trúc khác.

Mike còn cho biết rằng kế hoạch xây thêm vài phòng để chuẩn bị cho việc gia tăng thành viên trong gia đình có thể gặp khó khăn, vì ngôi nhà không còn phù hợp như anh tưởng tượng. Anh dẫn tôi đi một vòng quanh ngôi nhà và chỉ cho tôi những vết nứt trên các góc tường. Ngôi nhà không hoàn hảo như tôi từng nghĩ; các phòng đều được xây liền kề và chia sẻ chung một tường chịu lực chính, gây khó khăn trong việc cải tạo hay mở rộng không gian. Nhà vệ sinh chung tường với nhà bếp, khiến việc mở rộng hay thay đổi một phòng có thể ảnh hưởng đến các phòng khác. Hành lang hẹp mà tất cả các phòng đều phải sử dụng thường xuyên trở nên tắc nghẽn khi có nhiều người qua lại, gây khó khăn cho việc di chuyển.

Hơn nữa, ngôi nhà không được phân chia thành các khu vực chức năng hợp lý như khu vực sinh hoạt, khu vực ngủ, và thiếu kho chứa đồ hoặc phòng lưu trữ tạm thời. Điều này khiến việc tìm kiếm đồ vật trở nên khó khăn và tốn thời gian, đồng thời làm cho việc sinh hoạt trong ngôi nhà trở nên bất tiện. Sự thiếu tổ chức và sắp xếp trong ngôi nhà cũng dẫn đến việc khi có sự thay đổi hay thêm đồ, mọi thứ dễ bị lộn xộn và khó quản lý.

Mike cho biết có thể anh sẽ phải xây lại ngôi nhà một lần nữa để khắc phục những vấn đề này và tạo ra một không gian sống tiện nghi hơn. Mặc dù nghe có vẻ như là một thử thách lớn, nhưng tôi tin rằng với sự quyết tâm và bài học rút ra từ những sai lầm trước đó, Mike sẽ xây dựng được một ngôi nhà hoàn hảo hơn cho gia đình của anh.

2. Việc xây một hệ thống như là xây một ngôi nhà.

2.1 Chọn database

Tương tự như việc xây dựng ngôi nhà, việc chọn cơ sở dữ liệu phù hợp bắt đầu từ việc hiểu rõ yêu cầu của hệ thống và môi trường hoạt động. Mike đã không lường trước các yếu tố môi trường như sự rung lắc từ xe container, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng. Trong trường hợp của cơ sở dữ liệu, việc không hiểu đúng các yêu cầu của ứng dụng (như tính sẵn sàng, quy mô, và tính nhất quán) có thể dẫn đến hiệu suất kém hoặc các vấn đề nghiêm trọng trong tương lai.

Trong câu chuyện của Mike, việc thiết kế không hợp lý đã dẫn đến các vấn đề lớn. Tương tự, việc chọn loại cơ sở dữ liệu không phù hợp có thể gây ra các vấn đề khó khắc phục. Có nhiều loại cơ sở dữ liệu với các đặc điểm khác nhau:

• Cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Databases): Như MySQL, PostgreSQL. Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính nhất quán cao và có cấu trúc dữ liệu rõ ràng.
• Cơ sở dữ liệu NoSQL (NoSQL Databases): Như MongoDB, Cassandra. Thích hợp cho các ứng dụng cần khả năng mở rộng cao, xử lý khối lượng dữ liệu lớn và yêu cầu linh hoạt trong cấu trúc dữ liệu.
• Cơ sở dữ liệu đám mây (Cloud Databases): Như Amazon RDS, Google Cloud SQL. Cung cấp tính sẵn sàng cao và khả năng mở rộng dễ dàng nhưng có thể có chi phí cao hơn.

Chọn cơ sở dữ liệu dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, như tính nhất quán, khả năng mở rộng, và hiệu suất. Đối với các ứng dụng yêu cầu khả năng mở rộng cao và linh hoạt, cơ sở dữ liệu NoSQL có thể là lựa chọn tốt. Ngược lại, nếu tính nhất quán và cấu trúc dữ liệu quan trọng, cơ sở dữ liệu quan hệ là lựa chọn ưu tiên.

Ngôi nhà của Mike gặp phải vấn đề vì thiết kế không linh hoạt, gây khó khăn trong việc cải tạo và mở rộng. Tương tự, cơ sở dữ liệu cũng cần phải linh hoạt và dễ bảo trì để dễ dàng thích ứng với các thay đổi trong tương lai.

• Tính linh hoạt trong thiết kế: Cần xem xét khả năng mở rộng và điều chỉnh cấu trúc dữ liệu mà không làm gián đoạn dịch vụ.
• Bảo trì và cập nhật: Đảm bảo rằng cơ sở dữ liệu có công cụ hỗ trợ bảo trì, sao lưu và phục hồi dễ dàng.

Việc xây dựng lại ngôi nhà có thể tốn kém, và trong lĩnh vực cơ sở dữ liệu, chi phí cũng là một yếu tố quan trọng. Chi phí có thể đến từ việc triển khai, bảo trì, và mở rộng. Đánh giá chi phí tổng thể của cơ sở dữ liệu, bao gồm cả chi phí ngầm như bảo trì và mở rộng, để đảm bảo rằng ngân sách dự kiến phù hợp với yêu cầu của dự án.

2.2 Xây dựng các core service.

Khi chúng ta nghĩ đến việc xây dựng một hệ thống phần mềm phức tạp, đặc biệt là các core services, việc chọn kiến trúc phù hợp đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả và có thể mở rộng khi cần. Câu chuyện về Mike và ngôi nhà của anh ấy là một phép ẩn dụ tuyệt vời để hiểu tầm quan trọng của việc thiết kế kiến trúc phần mềm chính xác từ đầu.

Câu chuyện của Mike về việc xây dựng ngôi nhà của mình với ngân sách lớn nhưng lại gặp phải các vấn đề nghiêm trọng sau ba năm nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế từ đầu. Nếu ngôi nhà của Mike được xây dựng với nền móng vững chắc và kiến trúc hợp lý, những vấn đề như vết nứt trên tường và sự thiếu tổ chức sẽ không xảy ra. Tương tự, trong phát triển phần mềm, core services đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác trực tiếp với cơ sở dữ liệu và thường được nhiều module gọi đến. Nếu không được thiết kế tốt, core services có thể trở thành điểm nghẽn trong hệ thống.

Một core service không chỉ hỗ trợ một lượng yêu cầu nhỏ mà còn cần phải đáp ứng một khối lượng lớn các yêu cầu cùng lúc. Ví dụ, nếu core service của bạn chỉ có thể xử lý 100 requests per second (RPS) nhưng hệ thống của bạn cần xử lý 500 RPS, thì bạn sẽ gặp phải vấn đề về hiệu suất. Sự thiếu hụt về khả năng mở rộng sẽ dẫn đến tình trạng hệ thống chậm chạp, gián đoạn dịch vụ, và trải nghiệm người dùng kém.

Core services thường tương tác trực tiếp với cơ sở dữ liệu, vì vậy việc thiết kế chúng cần phải cân nhắc đến việc truy xuất và xử lý dữ liệu hiệu quả. Một thiết kế không hợp lý có thể dẫn đến việc truy vấn cơ sở dữ liệu bị tắc nghẽn, làm giảm hiệu suất của toàn hệ thống. Các vấn đề như vết nứt trong ngôi nhà của Mike có thể so sánh với các vấn đề hiệu suất trong core services khi không được thiết kế với khả năng mở rộng và tối ưu hóa.

Để giải quyết vấn đề này, việc áp dụng kiến trúc có khả năng mở rộng cao là rất quan trọng. Một ví dụ điển hình là Function-as-a-Service (FaaS). FaaS cho phép bạn xây dựng và triển khai các hàm độc lập, có thể tự động mở rộng theo nhu cầu. Điều này tương tự như việc xây dựng lại ngôi nhà của Mike với các phòng riêng biệt và dễ dàng mở rộng khi cần.

Câu chuyện về Mike và ngôi nhà của anh ấy là một minh họa rõ ràng về việc xây dựng core services với kiến trúc hợp lý. Giống như việc một ngôi nhà cần nền móng vững chắc và thiết kế hợp lý để đảm bảo sự ổn định và tiện nghi, các core services cũng cần một kiến trúc phù hợp để đảm bảo hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống phần mềm. Việc áp dụng kiến trúc như FaaS có thể giúp cải thiện khả năng mở rộng và quản lý tài nguyên, từ đó giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu cao trong tương lai.

2.3 Coupling giữa các thành phần

Coupling trong lập trình đề cập đến mức độ liên kết giữa các thành phần hoặc mô-đun trong một hệ thống. Khi các thành phần có mức coupling cao, chúng phụ thuộc vào nhau một cách chặt chẽ, điều này có thể làm giảm tính linh hoạt và khả năng bảo trì của hệ thống. Ngược lại, khi các thành phần có mức coupling thấp, chúng hoạt động độc lập hơn và có thể dễ dàng thay đổi mà không ảnh hưởng đến các phần khác của hệ thống.

Trong lập trình, việc giảm coupling giúp tạo ra các hệ thống dễ bảo trì và mở rộng hơn. Giống như ngôi nhà của Mike, nơi các phòng và khu vực chức năng được thiết kế không hợp lý và liên kết chặt chẽ với nhau, các thành phần trong phần mềm cũng cần được thiết kế sao cho độc lập và dễ dàng thay đổi. Điều này giúp giảm thiểu các vấn đề khi thay đổi hoặc mở rộng hệ thống, tương tự như việc Mike cần phải xây dựng lại ngôi nhà của mình để khắc phục các vấn đề hiện tại.

Khi Mike thiết kế ngôi nhà, việc xây dựng các phòng liền kề và chia sẻ chung một tường chịu lực chính là một ví dụ về coupling cao. Việc này làm cho việc mở rộng hoặc cải tạo trở nên khó khăn, tương tự như việc các thành phần phần mềm có mức coupling cao có thể gây khó khăn khi thay đổi mã nguồn hoặc thêm tính năng mới.

Sự thiếu tổ chức và sắp xếp trong ngôi nhà của Mike dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả không gian và gây khó khăn trong việc tìm kiếm đồ vật. Trong lập trình, coupling cao có thể dẫn đến mã nguồn khó đọc, khó bảo trì và dễ bị lỗi khi có thay đổi. Điều này giống như việc ngôi nhà của Mike không được chia thành các khu vực chức năng hợp lý, làm cho việc sinh hoạt trở nên bất tiện và khó quản lý.

Bài học rút ra từ câu chuyện của Mike là việc thiết kế và xây dựng một hệ thống (hoặc ngôi nhà) cần phải xem xét kỹ lưỡng về cách các thành phần liên kết với nhau. Giống như việc Mike cần phải xây dựng lại ngôi nhà của mình để khắc phục các vấn đề hiện tại, các nhà phát triển phần mềm cũng cần phải chú ý đến việc giảm coupling để tạo ra các hệ thống dễ bảo trì, mở rộng và hiệu quả hơn.

2.4 Bottleneck

Một trong những vấn đề rõ ràng nhất trong ngôi nhà của Mike là hành lang hẹp, khiến cho việc di chuyển trở nên khó khăn, đặc biệt khi có nhiều người qua lại. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sự tiện nghi mà còn làm giảm khả năng sử dụng hiệu quả của không gian.

Ngôi nhà không được chia thành các khu vực chức năng rõ ràng như khu vực sinh hoạt, khu vực ngủ, và thiếu kho chứa đồ. Điều này dẫn đến sự bất tiện trong việc tìm kiếm đồ vật và quản lý không gian, làm cho ngôi nhà trở nên lộn xộn và khó sử dụng.

Để giải quyết vấn đề hành lang hẹp, việc thiết kế không gian di chuyển rộng rãi và thông thoáng là rất quan trọng. Các hành lang nên được mở rộng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển và sử dụng không gian hiệu quả hơn. Nếu có thể, hãy cân nhắc việc thiết kế các lối đi phụ hoặc mở rộng diện tích các phòng để giảm bớt tình trạng tắc nghẽn.

Việc thay đổi hoặc cải tạo các tường chịu lực chính nên được thực hiện với sự tư vấn từ các kỹ sư xây dựng để đảm bảo rằng cấu trúc không bị ảnh hưởng. Cần thiết kế các yếu tố linh hoạt trong cấu trúc để dễ dàng mở rộng hoặc thay đổi mà không làm giảm tính ổn định của ngôi nhà.

Để tăng cường sự tiện nghi và tổ chức, cần phải chia ngôi nhà thành các khu vực chức năng rõ ràng. Việc phân chia không gian thành khu vực sinh hoạt, khu vực ngủ, và khu vực lưu trữ đồ sẽ giúp quản lý không gian tốt hơn và làm cho ngôi nhà trở nên gọn gàng hơn. Bổ sung các phòng lưu trữ hoặc kho chứa đồ cũng là một giải pháp tốt để giữ cho không gian sống luôn ngăn nắp và dễ dàng tìm kiếm đồ vật.

Câu chuyện về ngôi nhà của Mike là một minh chứng rõ ràng rằng thiết kế và tổ chức không gian đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một môi trường sống tiện nghi và hiệu quả. Những tắc nghẽn trong thiết kế có thể dẫn đến sự bất tiện và khó khăn trong việc sử dụng không gian, nhưng với sự chú ý và cải thiện đúng cách, chúng ta có thể tạo ra những không gian sống tốt hơn và tránh được những vấn đề tương tự trong tương lai.

2.5 Thiếu Chiến Lược Caching

Trong câu chuyện của Mike, việc thiếu các phòng lưu trữ tạm thời trong ngôi nhà dẫn đến việc tìm kiếm đồ vật trở nên khó khăn và mất thời gian. Điều này có thể được so sánh với thiếu một chiến lược caching trong hệ thống phần mềm.

Chiến lược caching là phương pháp lưu trữ dữ liệu tạm thời để truy cập nhanh hơn trong tương lai. Nếu hệ thống không có caching hiệu quả, người dùng sẽ phải yêu cầu thông tin từ nguồn gốc chính, điều này giống như việc Mike phải đi quanh ngôi nhà để tìm đồ vật mà không có kho chứa. Kết quả là:

• Hiệu Suất Kém: Việc truy cập dữ liệu không được cache có thể làm giảm hiệu suất, giống như việc mất nhiều thời gian để tìm đồ vật trong ngôi nhà thiếu kho lưu trữ.
• Tăng Tải Cho Hệ Thống: Nếu hệ thống không sử dụng caching, mọi yêu cầu dữ liệu sẽ phải xử lý từ đầu, tạo thêm tải cho hệ thống, giống như việc đi lại nhiều lần trong ngôi nhà.

Để cải thiện hiệu suất, hệ thống nên được thiết kế với các giải pháp caching phù hợp, chẳng hạn như bộ nhớ cache trong RAM hoặc lưu trữ tạm thời trên đĩa. Điều này giúp giảm thời gian truy cập dữ liệu và tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.6 Statefull service

Tương tự, trong phát triển phần mềm, đặc biệt là khi làm việc với các dịch vụ microservices hay hệ thống có nhiều thành phần, sự thiếu chuyên môn hóa và phân chia rõ ràng có thể dẫn đến sự phức tạp trong việc mở rộng và duy trì hệ thống. Việc nhà vệ sinh và nhà bếp chia sẻ chung một tường có thể gây ra vấn đề khi cần thay đổi hoặc mở rộng một phòng mà ảnh hưởng đến các phòng khác. Tương tự, trong hệ thống phần mềm, việc không tổ chức rõ ràng các dịch vụ hay tài nguyên có thể dẫn đến sự xung đột khi thực hiện thay đổi hay mở rộng.

Khi hệ thống phần mềm không được phân chia rõ ràng, việc mở rộng và phân phối tài nguyên có thể trở nên phức tạp. Ví dụ, trong một hệ thống chứa nhiều cronjob hay biến lưu trạng thái, việc mở rộng có thể làm mất đi tính nhất quán của dữ liệu nếu không có sự quản lý hiệu quả. Điều này tương tự như việc ngôi nhà của Mike gặp khó khăn khi mở rộng không gian do thiết kế không hợp lý.

Để khắc phục vấn đề này, việc thiết kế hệ thống phần mềm cần được thực hiện với sự chú trọng vào việc phân chia rõ ràng các dịch vụ và tài nguyên. Sử dụng các nguyên tắc như microservices và các mô hình quản lý tài nguyên hiệu quả có thể giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến mở rộng và duy trì tính nhất quán của hệ thống. Việc áp dụng các phương pháp như containerization có thể giúp quản lý các dịch vụ và tài nguyên một cách hiệu quả hơn, giảm thiểu sự phụ thuộc lẫn nhau và cải thiện khả năng mở rộng của hệ thống.

3. Kết luận

Câu chuyện của Mike và ngôi nhà của anh ấy mang đến một bài học quý giá về tầm quan trọng của thiết kế và tổ chức chuyên biệt và hiệu quả. Trong phát triển phần mềm, những nguyên tắc tương tự cũng cần được áp dụng để đảm bảo rằng các hệ thống có khả năng mở rộng và duy trì dễ dàng. Bằng cách học từ những sai lầm trong quá khứ và áp dụng các giải pháp phù hợp, chúng ta có thể xây dựng những hệ thống phần mềm vững chắc và bền vững hơn trong tương lai.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc mối quan tâm nào, vui lòng để lại bình luận bên dưới.