【ITニュース解説】11 System Design Interview Questions Every Engineer Should Master (With Real-World Answers 🚀)

現代のシステム開発において、単に動くプログラムを作るだけでなく、将来の利用者増加に耐えうる拡張性や安定性を考慮した「システム設計」の知識は不可欠である。特に、利用者が10万人から1000万人へと増大する過程で、システムの性能を維持し続けるためには、初期段階からの適切な設計思想が求められる。ここでは、全てのエンジニアが習得すべき、スケーラブルなシステムを構築するための基本的な考え方や技術について解説する。

まず、大規模サービスの根幹となるデータベースの設計から考える必要がある。数百万のユーザーデータを扱う場合、最も重要なのは検索速度の維持である。これを実現するためには、頻繁に検索条件として使われる列に「インデックス」という索引を設定し、データ検索を高速化することが基本となる。また、データの重複をなくし整理する「正規化」を基本としつつも、検索速度が問題になる場合は、あえてデータを一部重複させてテーブル結合の手間を省く「非正規化」という判断も必要になる。データ量が膨大になった際には、一つの巨大なテーブルを地域や利用者IDの範囲といった基準で分割する「パーティショニング」や「シャーディング」を行い、一度に検索するデータ量を減らす手法も有効である。さらに、頻繁にアクセスされるデータを高速なメモリ上に一時保管する「キャッシュ」の活用や、古くなったデータを別の安価なストレージへ移動させる「アーカイブ」も、データベースの性能を保つ上で重要な戦略である。

システムが複数の小さなサービス群で構成される「マイクロサービスアーキテクチャ」を採用する場合、サービス間の安全な通信をいかに確保するかが課題となる。各サービスは独立しているため、相互の通信が盗聴や改ざんの危険に晒されないよう、暗号化や認証の仕組みを導入しなければならない。具体的には、サービス同士が互いの正当性を証明書で確認し合う「mTLS」や、システムへの入り口となる「APIゲートウェイ」で認証やアクセス制御を一元管理する方法がある。また、リクエストごとに「JWT」などの認証トークンを付与し、許可されたサービスからの通信であるかを都度検証することも一般的である。これらのセキュリティ対策を怠ると、一つのサービスが侵害されただけでシステム全体に被害が及ぶ可能性がある。

サービスの利用者増加に伴い、システムの処理能力を向上させる「スケーリング」が必要になる。スケーリングには大きく分けて二つのアプローチがある。一つは、サーバー自体の性能を上げる「垂直スケーリング」であり、CPUやメモリを増強する方法である。これは比較的簡単に実施できるが、性能向上には物理的な限界があり、サーバーが一つであるため故障した際にサービス全体が停止する「単一障害点」というリスクを抱える。もう一つは、サーバーの台数を増やして負荷を分散させる「水平スケーリング」である。こちらは耐障害性が高く、理論上は無限に拡張できるが、負荷分散装置の導入やデータの同期など、システム構成が複雑になる。一般的には、初期段階では手軽な垂直スケーリングから始め、成長に合わせて水平スケーリングへと移行、あるいは両者を組み合わせるのが現実的な選択となる。

システムの応答速度を向上させるためにキャッシュは非常に有効だが、元のデータが頻繁に更新される場合、キャッシュのデータが古くなってしまう「キャッシュの一貫性」の問題が発生する。この問題への対処法として、キャッシュの有効期限（TTL）を短く設定し、定期的に最新データへ更新させる方法がある。また、データベースへの書き込みと同時にキャッシュも更新する「ライトスルー」方式や、データ更新をトリガーとして関連するキャッシュを即座に更新または削除する仕組みを導入することも効果的である。いずれにせよ、古い情報を提供することは利用者の信頼を損なうため、キャッシュの鮮度を保つ工夫は不可欠である。

フロントエンド開発においても、アプリケーションの規模が大きくなると、一つの巨大なコードベース（モノリス）の管理が困難になる。開発チームが増え、機能追加や修正が互いに影響し合い、開発速度が低下する問題が生じた場合、「マイクロフロントエンド」という考え方が有効となる。これは、画面を機能単位で独立した小さなアプリケーションに分割し、各チームが独立して開発、テスト、デプロイを行えるようにする手法である。これによりチーム間の依存関係をなくし、開発効率を大幅に向上させることができるが、全体の統合や運用が複雑になるため、導入は慎重に検討する必要がある。

マイクロサービスアーキテクチャでは、一つのサービスの遅延がシステム全体に波及する「連鎖的障害」を防ぐ設計が極めて重要になる。対策として、他のサービスを呼び出す際には必ず応答待ち時間を設定する「タイムアウト」、一時的なエラーに対しては時間をおいて再試行する「リトライ」、そして障害が発生しているサービスへのリクエストを一時的に遮断する「サーキットブレーカー」といったパターンを導入する。これにより、一部のサービスの不調が全体を巻き込む事態を防ぎ、システムの安定性を高めることができる。

プロジェクトの初期段階で重要な決定の一つに、データベースの種類選定がある。データ構造が固まっており、取引の整合性が厳密に求められる金融システムなどでは、伝統的な「SQLデータベース」が適している。一方で、データの形式が多様で、柔軟なスキーマと高い書き込み性能が求められるSNSのフィードや分析基盤などでは、「NoSQLデータベース」が力を発揮する。多くの現代的なシステムでは、用途に応じて両者を組み合わせるハイブリッドなアプローチが採用されている。

最後に、ユーザー体験に直結するパフォーマンスについても考慮が必要である。特に、Wi-Fi環境では高速に動作するWebアプリケーションが、モバイル回線では遅くなるという問題は頻繁に発生する。この原因は、画像やプログラムファイルのサイズが大きすぎることや、通信リクエスト数が多すぎることにある。画像の圧縮や遅延読み込み、ファイルの分割、そしてブラウザキャッシュの積極的な活用といったフロントエンドの最適化を行うことで、どのようなネットワーク環境でも快適な利用体験を提供することが可能となる。これらの設計原則は、システムの規模や種類に関わらず、全てのエンジニアが意識すべき基本的な知識である。