2025年計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格（水平）考試高級(jí)程序設(shè)計(jì)專項(xiàng)訓(xùn)練試卷知識(shí)點(diǎn)梳理與實(shí)戰(zhàn)練習(xí)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題1.請(qǐng)闡述面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中“封裝”的核心思想及其在軟件系統(tǒng)中的作用。2.比較并說明微服務(wù)架構(gòu)與傳統(tǒng)單體架構(gòu)在系統(tǒng)擴(kuò)展性、部署、容錯(cuò)性方面的主要差異。3.解釋什么是設(shè)計(jì)模式，并列舉三種你熟悉的設(shè)計(jì)模式，簡(jiǎn)要說明其解決的問題及適用場(chǎng)景。4.在進(jìn)行大型軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮高可用性通常需要關(guān)注哪些關(guān)鍵方面？請(qǐng)結(jié)合實(shí)例說明。二、案例分析題5.假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一個(gè)支持百萬(wàn)級(jí)用戶的在線社交平臺(tái)的核心功能模塊（如用戶關(guān)注、動(dòng)態(tài)發(fā)布與瀏覽）。請(qǐng)簡(jiǎn)述該模塊的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，包括至少：*核心技術(shù)選型（如編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存等）的理由。*主要功能模塊的劃分。*數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)（考慮數(shù)據(jù)一致性、擴(kuò)展性）。*需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（如高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量處理）及可能的應(yīng)對(duì)策略。三、設(shè)計(jì)題6.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。請(qǐng)說明：*系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的核心功能。*系統(tǒng)的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)（包括關(guān)鍵組件及其職責(zé)）。*任務(wù)如何被分發(fā)、執(zhí)行和監(jiān)控。*考慮至少一項(xiàng)高可用或容錯(cuò)機(jī)制。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：封裝是指將數(shù)據(jù)（屬性）和操作數(shù)據(jù)的方法（行為）捆綁在一起，形成一個(gè)“對(duì)象”，并對(duì)外部隱藏對(duì)象的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只提供有限的接口供外部訪問。其作用在于：提高模塊獨(dú)立性，降低系統(tǒng)復(fù)雜性；增強(qiáng)代碼可讀性和可維護(hù)性；保護(hù)對(duì)象內(nèi)部狀態(tài)，防止外部直接修改導(dǎo)致不一致或錯(cuò)誤；便于實(shí)現(xiàn)信息隱藏和權(quán)限控制。解析思路：首先要答出封裝的定義，即數(shù)據(jù)和方法的結(jié)合與內(nèi)部隱藏。然后重點(diǎn)闡述其四大作用：模塊獨(dú)立、降低復(fù)雜度、提高可讀與可維護(hù)性、保護(hù)內(nèi)部狀態(tài)。每個(gè)作用都需要結(jié)合軟件工程實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)短說明，如模塊獨(dú)立使得修改一方不影響另一方，保護(hù)內(nèi)部狀態(tài)防止非法訪問等。2.答案：微服務(wù)架構(gòu)與傳統(tǒng)單體架構(gòu)的主要差異在于：*擴(kuò)展性：微服務(wù)針對(duì)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行拆分，可以獨(dú)立擴(kuò)展某個(gè)服務(wù)的實(shí)例，更靈活高效；單體架構(gòu)只能整體擴(kuò)展，資源利用率可能不高。*部署：微服務(wù)各服務(wù)獨(dú)立部署，部署頻率高，風(fēng)險(xiǎn)低；單體架構(gòu)需一次性部署整個(gè)應(yīng)用，風(fēng)險(xiǎn)較高。*容錯(cuò)性：微服務(wù)間解耦，一個(gè)服務(wù)故障不一定導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，可隔離故障；單體架構(gòu)一個(gè)組件或服務(wù)故障可能導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用不可用。*技術(shù)異構(gòu)性：微服務(wù)允許不同服務(wù)使用不同的技術(shù)棧；單體架構(gòu)通常使用統(tǒng)一的技術(shù)棧。*開發(fā)效率：微服務(wù)可能因團(tuán)隊(duì)分工和獨(dú)立開發(fā)而提高小團(tuán)隊(duì)效率，但也可能因跨服務(wù)協(xié)作和部署復(fù)雜度而降低大項(xiàng)目整體效率；單體架構(gòu)開發(fā)簡(jiǎn)單，但大型項(xiàng)目代碼耦合度高，維護(hù)困難。解析思路：抓住微服務(wù)“服務(wù)化”、“去中心化”的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)單體“整體”的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。從擴(kuò)展、部署、容錯(cuò)、技術(shù)、開發(fā)五個(gè)維度展開，逐一說明差異。強(qiáng)調(diào)微服務(wù)的優(yōu)勢(shì)在于靈活性和彈性，但也可能帶來分布式系統(tǒng)的復(fù)雜度。3.答案：設(shè)計(jì)模式是針對(duì)軟件設(shè)計(jì)中反復(fù)出現(xiàn)的問題，經(jīng)過驗(yàn)證的、可復(fù)用的解決方案。它們提供了一套通用的詞匯和框架來描述和解決這些問題，有助于提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。*單例模式（Singleton）：保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)。適用于需要控制資源訪問、如日志記錄器、配置管理器等場(chǎng)景。*工廠方法模式（FactoryMethod）：定義一個(gè)用于創(chuàng)建對(duì)象的接口，讓子類決定實(shí)例化哪一個(gè)類。適用于需要根據(jù)不同條件創(chuàng)建不同類型對(duì)象的場(chǎng)景，符合開閉原則。*觀察者模式（Observer）：定義對(duì)象間的一對(duì)多依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變時(shí)，所有依賴它的對(duì)象都會(huì)收到通知并自動(dòng)更新。適用于需要實(shí)現(xiàn)事件通知機(jī)制的場(chǎng)景，如GUI系統(tǒng)、發(fā)布-訂閱模式等。解析思路：首先解釋設(shè)計(jì)模式的定義和目的。然后選擇三種常見的、考生相對(duì)熟悉的模式進(jìn)行解答。對(duì)于每種模式，要答出其核心思想（解決的問題）和典型適用場(chǎng)景。確保描述清晰，能夠體現(xiàn)模式的普適性。4.答案：設(shè)計(jì)高可用系統(tǒng)需關(guān)注：*冗余設(shè)計(jì)：關(guān)鍵組件（服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)鏈路、電源）進(jìn)行備份或集群，避免單點(diǎn)故障。如數(shù)據(jù)庫(kù)主從復(fù)制、負(fù)載均衡器冗余。*故障隔離與檢測(cè)：快速檢測(cè)到故障節(jié)點(diǎn)，并將流量切換到健康的節(jié)點(diǎn)。如使用健康檢查、熔斷器、服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。*數(shù)據(jù)一致性保障：在分布式環(huán)境下保證數(shù)據(jù)同步和一致性，可接受一定延遲或采用最終一致性策略。如分布式事務(wù)方案（如TCC、Saga）、消息隊(duì)列。*負(fù)載均衡：將流量分發(fā)到多個(gè)實(shí)例，避免單點(diǎn)過載。如使用硬件或軟件負(fù)載均衡器。*彈性伸縮：根據(jù)負(fù)載自動(dòng)增減資源。如云平臺(tái)的自動(dòng)伸縮組。*備份與恢復(fù)：定期備份數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置，制定災(zāi)難恢復(fù)計(jì)劃。*限流與熔斷：防止惡意或異常流量導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。解析思路：從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，圍繞“如何避免失敗”、“如何快速恢復(fù)”、“如何處理并發(fā)”這幾個(gè)核心問題展開。列舉關(guān)鍵策略和技術(shù)手段，如冗余、故障檢測(cè)切換、數(shù)據(jù)一致性、負(fù)載均衡、彈性伸縮等?？梢越Y(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景（如電商大促、支付系統(tǒng)）來舉例說明這些策略的重要性。二、案例分析題5.答案：*架構(gòu)設(shè)計(jì)思路：采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，結(jié)合消息隊(duì)列和緩存。*技術(shù)選型與理由：*編程語(yǔ)言：Java/Go/Python等，成熟生態(tài)，支持并發(fā)。*數(shù)據(jù)庫(kù)：主庫(kù)采用高性能分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（如MySQLCluster/PostgreSQL+分庫(kù)分表），用戶動(dòng)態(tài)等核心數(shù)據(jù)需高可用和事務(wù)支持；輔以NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)（如Redis/MongoDB）存儲(chǔ)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)、會(huì)話信息以加速訪問。*緩存：使用Redis集群，緩存用戶信息、動(dòng)態(tài)內(nèi)容、關(guān)注關(guān)系等高頻訪問數(shù)據(jù)。*消息隊(duì)列：采用Kafka/RabbitMQ，用于服務(wù)間異步通信（如關(guān)注關(guān)系變更通知）、解耦用戶動(dòng)態(tài)發(fā)布與存儲(chǔ)、削峰填谷。*前端：采用Nginx等負(fù)載均衡，CDN加速靜態(tài)資源。*架構(gòu)風(fēng)格：微服務(wù)化，按功能模塊劃分（用戶中心、動(dòng)態(tài)中心、關(guān)系中心、推薦中心等）。*功能模塊劃分：用戶模塊（注冊(cè)登錄、個(gè)人信息管理）、動(dòng)態(tài)模塊（發(fā)布、瀏覽、點(diǎn)贊、評(píng)論）、關(guān)系模塊（關(guān)注/取關(guān)、粉絲列表）、消息模塊（通知、私信）、推薦模塊（個(gè)性化內(nèi)容推薦）。*數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案：用戶數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過分庫(kù)分表應(yīng)對(duì)高并發(fā)寫入和海量數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)內(nèi)容可存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或直接推送到MQ，由下游服務(wù)消費(fèi)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)或緩存。使用Redis緩存熱點(diǎn)用戶和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。*關(guān)鍵問題與策略：*高并發(fā)：通過負(fù)載均衡分發(fā)請(qǐng)求，數(shù)據(jù)庫(kù)分庫(kù)分表+索引優(yōu)化+緩存+異步處理（消息隊(duì)列）緩解壓力。*大數(shù)據(jù)量：數(shù)據(jù)庫(kù)分片，使用NoSQL存儲(chǔ)非核心或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用緩存減少數(shù)據(jù)庫(kù)訪問。*一致性問題：用戶關(guān)注等狀態(tài)變更通過消息隊(duì)列異步更新，保證最終一致性；核心數(shù)據(jù)（如用戶狀態(tài)）通過數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)保證強(qiáng)一致性。*實(shí)時(shí)性：動(dòng)態(tài)發(fā)布采用消息隊(duì)列+緩存+數(shù)據(jù)庫(kù)異步更新，保證相對(duì)實(shí)時(shí)性；關(guān)注/點(diǎn)贊等互動(dòng)操作可走緩存+數(shù)據(jù)庫(kù)主從同步保證可見性。解析思路：案例題需要結(jié)構(gòu)化回答。首先給出總體架構(gòu)方向（分布式微服務(wù)）。然后分點(diǎn)說明技術(shù)選型，并說明理由，體現(xiàn)對(duì)技術(shù)的理解。接著劃分主要功能模塊。再詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，考慮數(shù)據(jù)庫(kù)選型、分片、緩存、NoSQL應(yīng)用等。最后重點(diǎn)分析需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（高并發(fā)、大數(shù)據(jù)、一致性、實(shí)時(shí)性），并提出具體的應(yīng)對(duì)策略和技術(shù)手段。每個(gè)環(huán)節(jié)都要體現(xiàn)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和權(quán)衡。三、設(shè)計(jì)題6.答案：*核心功能：任務(wù)定義（名稱、描述、執(zhí)行邏輯/腳本、周期、時(shí)間表達(dá)式、優(yōu)先級(jí)等）、任務(wù)調(diào)度（按計(jì)劃觸發(fā)執(zhí)行）、任務(wù)執(zhí)行（運(yùn)行任務(wù)、記錄日志）、任務(wù)監(jiān)控（狀態(tài)查詢、失敗重試、超時(shí)處理）、任務(wù)管理（創(chuàng)建、刪除、修改、暫停、恢復(fù)）。*基本架構(gòu)設(shè)計(jì)：*任務(wù)注冊(cè)中心：存儲(chǔ)所有任務(wù)的定義信息（元數(shù)據(jù)），可采用數(shù)據(jù)庫(kù)或Redis。負(fù)責(zé)接收新任務(wù)、更新任務(wù)配置、提供任務(wù)查詢接口。*調(diào)度器（Scheduler）：核心組件，負(fù)責(zé)讀取任務(wù)注冊(cè)中心的信息，根據(jù)任務(wù)的時(shí)間表達(dá)式計(jì)算任務(wù)的觸發(fā)時(shí)間，并將待執(zhí)行的任務(wù)推送給執(zhí)行器?？刹捎眉翰渴鹨员ＷC高可用。需要處理任務(wù)沖突、時(shí)間精度問題。*任務(wù)執(zhí)行器（Executor/Worker）：接收調(diào)度器分配的任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)指定的邏輯（如運(yùn)行腳本、調(diào)用API）。每個(gè)執(zhí)行器可以負(fù)責(zé)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的實(shí)例?？稍O(shè)計(jì)為無(wú)狀態(tài)或半有狀態(tài)，便于水平擴(kuò)展。執(zhí)行過程中需記錄日志，處理異常。*監(jiān)控中心：統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)度器、執(zhí)行器的狀態(tài)，提供任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)查詢、歷史記錄查詢、報(bào)警通知等功能?？杉涩F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)（如Prometheus+Grafana）。*（可選）協(xié)調(diào)/配置中心：用于管理調(diào)度器/執(zhí)行器的配置，或任務(wù)的動(dòng)態(tài)配置修改。*任務(wù)分發(fā)與執(zhí)行：調(diào)度器根據(jù)時(shí)間表達(dá)式匹配到待執(zhí)行的任務(wù)實(shí)例，將其信息（任務(wù)ID、參數(shù)等）發(fā)送給一個(gè)可用的執(zhí)行器。執(zhí)行器接收任務(wù)后，加載任務(wù)邏輯并執(zhí)行。執(zhí)行結(jié)果（成功/失敗、輸出）記錄回監(jiān)控中心或通知調(diào)度器。*高可用/容錯(cuò)機(jī)制：*調(diào)度器集群：通過調(diào)度器集群部署，實(shí)現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移，保證調(diào)度服務(wù)持續(xù)可用。*執(zhí)行器彈性伸縮：執(zhí)行器可以根據(jù)任務(wù)量動(dòng)態(tài)增減，利用云平臺(tái)或Kubernetes實(shí)現(xiàn)。*任務(wù)失敗重試：執(zhí)行器在任務(wù)執(zhí)行失敗時(shí)，根據(jù)配置進(jìn)行重試（如立即重試、延遲重試）。可設(shè)置重試次數(shù)上限。*任務(wù)超時(shí)處理：任務(wù)執(zhí)行超時(shí)，執(zhí)行器自動(dòng)中止任務(wù)，并記錄超時(shí)狀態(tài)，可配置是否重試或發(fā)送告警。