系统设计是开发者最重要的能力之一。
本文对系统设计中的心态和意识做个人总结， 它们是许多设计思路和方法的源泉。 仁者见仁，智者见智，将直抒胸臆。
心态总是做好事情的第一步，系统设计亦如此。
我总结了 6 条： 设计先行、长期主义、明确目标、持续精进 、保持简单、闭环思维。
设计先行 ¶
如 《软件设计的哲学》 中所言:
我们的首要目标应该是输出一个好的设计，而不是恰好可以工作的系统
设计先行的核心要义在于 先想再做 。 这个意识如此简单，却至关重要。
许多人是撞过南墙、痛过之后才明白其重要性。 我的一位前技术领导曾对我说过 “应该把你的手绑起来，先做思考，而不是去写代码”，言辞激进却十分在理。 “勤奋” 不等于正向输出，在错误的方向上开发，反而是在积累重构点。
值得一提，照搬他人设计的做法，也是惰于思考的表现。 参考前人经典的设计思想是推荐的，但是不考虑具体情况，就认定 “别人是这么做的，我也要这么做”，是偷懒行径。
设计是方向性问题，其重要性甚至高于实现。 在没有做好设计之前，花时间去写代码，或者边做边想，都是本末倒置的。
长期主义 ¶
长期主义的核心要义是：面向未来，不要 “短视”。
通俗讲，不能只看眼前，要多考虑系统未来要面对的场景、可能的变化。 短期的捷径并不一定适应长期的发展。这挑战系统设计者的业务经验和前瞻能力。
如果一种设计方案不是未来，就可以大胆否定它，所谓 以终为始。 例如，系统未来的终端是移动端的话，那么大可不必花精力去做 PC 端的网页开发。 思考未来是方案抉择的有效手段，如果对两种思路犹豫不清，不妨问自己，这个事情的终态是什么样的？ 相信会有帮助。
面向未来做设计，想的多不一定做的多。我常用的说法是， “想三步、走一步” 。 看得远的好处在于选对方向，具体当下做多少量，取决于当前的具体需求。 以订单系统举例，考虑到未来多仓发货的拆单场景，早期在数据建模上可以考虑子母单的形式， 但是具体的拆单逻辑，眼前则不必关心。
错的路宁肯一步不走，对的路也不必一次走完。
明确目标 ¶
短期目标应服务于长期目标 ， 同前面 长期主义 所讲，不再赘述。
通常，业务的长期愿景是确定的，但达成路径依赖于环境因素和运营者意志， 设计者则需要根据业务的规划路径，来确定系统的短期和长期目标。 具象化长期目标并非易事，思路之一，是去想象未来场景，以确定系统长期要有哪些能力。 短期目标则相对清晰，一个方法是考虑系统最小闭环的能力。 比方说，外卖业务长期要有即时配送系统，但是短期并非必需，商家自配即可最小闭环。
先考虑目标的必要性，再考虑实现难度 。 这一点和 设计先行 的心态相辅相成。 经常有人把 “应该做成什么样” 和 “有没有资源做、实现多么困难” 混为一谈。 不先想清楚前者，而只考虑后者，实际是在，以 “更快落地” 之名，行 “懒于思考” 之实。
除功能本身外，系统设计还应考虑非功能性关注点， 比如 性能、一致性、可用性、 时空复杂度、可扩展性、 即时响应性、兼容性等。许多关注点无法定量，有时也不必定量、定性就好，系统开发伊始就锚定 N 个 9 的可用性大可不必。 总之，设计者要明确系统关注哪些性质。 例如，一般地，通信关注延时、可靠性 等；任务分配系统关注算法的性能、正确性、稳定性等； 游戏决策系统关注性能、即时响应性等；客户端软件关注设备兼容性；几乎所有系统都关注可维护性、可扩展性。
系统的关注点之间也要有所侧重，因为经常会有「鱼和熊掌不可兼得」的情况。 比如算法的时间和空间开销、系统的一致性和可用性 (CAP 定理) 、 功能灵活性和实现简单性、算法的人工可控性和自治能力等，它们并非严格地无法兼顾，强调更侧重哪个，而不是严格地 “二选一”。 在某些情况下才必须要做出选择。例如，分布式系统中发生网络分区时， 系统可以选择停机来坚持输出的正确性，或者选择不停机来保证可用性但是正确性可能丧失。
系统非功能性关注点的偏好不同，设计思路可能完全不同。 比如，如果未关注到性能，系统性能糟糕，有时不得不做设计上的重构。 下面这句架构领域常说的话，即在说明，完成功能并非系统的唯一目标，非功能性目标足以决定架构的不同。
架构往往并不由系统的功能决定，而是由系统的非功能属性决定。
总结来讲，目标有远近和侧重。
持续精进 ¶
《软件设计的哲学》 划分了两种开发思维： 战术的 和 战略的。后者强调了系统设计是一种需要持续精进的长期工作：
你必须投入时间来改进系统的设计，而不是采用最快的方式来完成当前的项目。这些投入在当下会稍微拖慢你，但是在长期会帮你提速。
系统迭代过程中，复杂度是与日俱增的，设计也应持续改进。 比如支持更广义的场景、舍弃过时的实现、优化部分接口的性能，都是在持续改善系统设计。 所以，日常迭代不应只考虑业务功能需求，还应适当搭配技术优化项。
人们习惯推崇保证 向后兼容性 ， 但是变化并非总如人意，breaking changes 有时不可避免。 不过我认为，适度节奏的、局部化的激进改动和小重构，有助于更快地把系统拉向更先进的设计上，而且比一次性大规模重构要可控得多。 我甚至有一种观点，重构点总会累积，日常局部重构有益系统健康。 如果系统模块化做的好的话，局部重构的做法是完全可能的。
保持简单 ¶
我觉得下面这句话对「保持简单」的理解十分恰当：
As simple as possible, as complex as necessary.
尽可能简单，必要时复杂。
除非万不得已，不要凭空添加复杂性， 如果可以达到目标的设计有多种，选择更简单的那一种。 平白的、易懂的、统一的方案，常被认为是「简单的」。如果你的方案复杂、难以理解、散碎而不统一， 那很可能还有更简单的思路，最好重新思考。
必须说明，简单不等于简陋，也不等于原始。 试问，为何不用 Brainfuck 来做 Web 开发呢？ 再问，为何大多不用 Python 语言 而是用更复杂的 C++ 语言 来写游戏呢？ 要指出的是，简单性是有限定的，即 在能力对等的前提下，追求简单性才有意义， 虽然在图灵完备的意义上，编程语言在所能和所不能上是相同的，但是它们在时空性能、表达能力、生态完善上却有高低， 倘若 Python 可以睥睨 C++ 的性能， 那么其简单性或许可以让它在游戏领域胜出。
保持简单并不意味着拒绝复杂的事物。 过于简单的工具反而会平添用户做事的复杂度，复杂的工具也可能会提供强大的能力。 比如，学习 Vim 编辑器是相对复杂的，但它赋予了程序员灵活高效的编辑能力。 对于系统设计而言，工具和技术栈的选型并不能单看其简单性，其提供的能力也是重要的参考量。
简单的方案一般更面向未来，因为它做的更少，对未来的掣肘更少。 但是倘若一条捷径并不通往罗马，我们还是要坚持面向未来。
一言蔽之，简单的设计，强大的能力 。
实现简单性的重要方法是 分解和封装。 分解是说把复杂的事情拆成多个模块，分而治之；封装是说把相近的能力纳入成一个模块；也就是模块化的思想。
系统设计上常说的 耦合性 就是模块分解的干净程度。 模块化讲究正交设计，即模块间无能力和概念的重叠。但是 冗余设计 有时必要， 因为容错能力一般借助冗余部件，比如存储上的多副本策略、通信上的纠错码、 技术上的补偿手法 等，冗余设计确实会增加复杂性，重要的是不要外溢 。 冗余能力也应闭环在对应模块内，局部复杂性的增加，不应进一步影响整体的简单性。
更进一步，模块的组织方法是 分层设计 ，它在计算机中广泛存在。 水平方向上相近的模块切割为层，垂直方向上下层为上层提供服务，将系统犹如 “搭积木” 一般组织起来， 更易于人的理解，更简单。其背后的手法，无非 分解和封装。
计算机是一个由构造块组成的分层体系，各层为其上层提供服务。要理解计算机，你只需理解此分层体系就行了。 – 《通灵芯片》
层级结构具有近可分解性。单元内联系一般比单元间联系强。 – 《人工科学》
分层体系提倡 复杂性下沉，上层对下层的理解尽量保持简单。 例如把兼容性问题下沉，以一个适配器封装其上，进而简化了对此部件的整体理解。
Pull Complexity Downwards. – 《软件设计的哲学》
闭环思维 ¶
控制论 中， 闭环控制 是指 “将受控者的反馈同时作为控制者的输入” 的控制方式。 与之相对的，不考虑反馈的方式是 开环控制。 所谓 “闭环” 的说法，就是说反馈信息可以由 “旁链” 回馈，形成不断迭代的控制循环。
举个通俗的例子，人拿着 “步枪打鸟” ，子弹的飞行路线是预先规划好的，一旦鸟逃跑了，就会打不中，这是开环控制。 老鹰抓兔子的过程中，老鹰会根据兔子位置的变化，不断调整自己追击的速度和方向，这样更容易命中目标，这就是闭环控制。
闭环思维是我做机器人开发时学到的， 当时有个生动的例子，两个人闭着眼睛面对面握手，互相约定各伸出一定距离的方式，是开环的。 如果伸出手来，再根据触碰感觉持续探索直到握手成功的方式，则是闭环的。 因为实际操作中误差不可避免，所以必须采用闭环方式。
二者的主要区别，在于是否利用反馈。
对控制论的进一步参考，推荐一本极为通俗的书 – 《控制论与科学方法论》 和 我对此书的笔记。
我们推崇闭环系统，因其适应性、容错能力、稳定性都更强。 最出色的系统，是双闭环系统，即协作中的两个系统最好都是闭环的。
闭环思维的核心要义: 必须认识到输入误差、环境变化和异常是不可避免的，重点在于系统要有自我调整的能力。 例如导航软件必须根据位置变化和路障信息不断调整最优路线。 除此 “环境变化导致重新计算” 的情况之外，自我调整也强调异常处理， 冗余设计 是最常用的容错思路，它对 “预料之中” 的错误有效。 比如，分布式系统中常用的 故障转移策略 ， 当某个节点损坏时，则采用备用节点取而代之。 另外，对于系统协作场景，不可假定协作方总是符合预期的。 例如，我做移动机器人搭乘电梯的场景时，如果某台电梯无响应，则机器人要换一台电梯或更换路线。 再比如，一些关键场景的系统对接 (比如支付)，经常需要推拉结合的方式。
此外，区别于控制论中对 “闭环” 的理解，我认为闭环思维还有 自我闭合 的含义。 意即，系统的概念、功能、异常不外溢，强调自我能力和异常处理的完整性。 系统内的概念不要扩散到系统外部被其他部件理解，系统该提供的能力 “不可假手他人代劳” ， 系统内能处理的异常不要甩给外部，不然系统就是开环的。
（完）
相关阅读： 系统设计中的经验之谈
