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