架构深入探讨

架构的本质

道是事物发展的本质规律,术是事物发展的具体途径。规律只有一个,途径很多,条条大路通罗马,罗马是道,大路是术。道为本,术为途,如果事先知道罗马在哪里,那么遍地是路,路路相通。架构也是如此,如果能领悟架构的本质,就不会拘泥于现有的实践和理论框框,而以最直接的方式解决问题,无招胜有招。

一个软件系统随着功能越来越多,调用量急剧增长,整个系统逐渐碎片化,越来越无序,最终无法维护和扩展,所以系统在一段时间的野蛮生长后,也需要及时干预,避免越来越无序。

那架构是如何实现无序到有序的呢? 基本的手段就是分和合,先把系统打散,然后重新组合。

分的过程是把系统拆分为各个子系统/模块/组件,拆的时候,首先要解决每个组件的定位问题,然后才能划分彼此的边界,实现合理的拆分。合就是根据最终要求,把各个分离的组件有机整合在一起,相对来说,第一步的拆分更难。

拆分的结果使开发人员能够做到业务聚焦、技能聚焦,实现开发敏捷,合的结果是系统变得柔性,可以因需而变,实现业务敏捷。

架构师从境界上由浅到深可以分为四层:第一看山不是山,第二看山是山,第三看山不是山,第四看山是山。

刚接手项目时,对业务不了解,时时被业务方冒出的术语弄得一愣一愣的,如果把现有问题比作山,则是横看成岭侧成峰,根本摸不透,此时看山不是山。

经过业务梳理和对系统深入了解,可以设计出一个屌丝的方案,把各个系统串起来,解决当前的问题,对当前这个山能够看清楚全貌,此时能够做到看山是山。

通过进一步抽象,发现问题的本质,原来这个问题是共性的,后续还会有很多类似问题。设计上进行总结和升华,得出一个通用的方案,不光能解决当前的问题,还可以解决潜在的问题。此时看到的已经是问题本质,看山不是山。

最后回到问题本身,去除过度的抽象,给出的设计简洁明了,增之一分嫌肥,减之一分嫌瘦,既解决当前问题,又保留最基本的扩展,此时问题还是那个问题,山还是那个山。

第一境界给不出合适方案,不表。

第二境界的方案只解决表面问题,往往设计不够,碰到其它类似问题或者问题稍微变形,系统需要重新做。

第三境界的方案往往过度设计,太追求通用化会创造出过多抽象,生造概念,理解和实现均困难,此时系统的无序度反而增加,过犹不及。

第四境界的方案,在了解问题本质的基础上,同时考虑现状,评估未来,不多做,不少做。

佛教讲空和色,色即事物现象,空即事物本质,从这个意义上说,第一重境界无色无空,第二重境界过色,第三重境界过空,第四重境界站在色和空之间,既色又空,不执着于当前,不虚无于未来。

不空不色,既空既色,道法自然,本性如来,架构之髓也。


架构方案落地

无架构,不系统,架构是大型系统的关键。从形上看,架构是系统的骨架,支撑和链接各个部分;从神上看,架构是系统的灵魂,深刻体现业务本质。

架构可细分为业务架构、应用架构、技术架构,业务架构是战略,应用架构是战术,技术架构是装备。其中应用架构承上启下,一方面承接业务架构的落地,另一方面影响技术选型。

如何针对当前需求,选择合适的应用架构,如何面向未来,保证架构平滑过渡,这个是软件开发者,特别是架构师,都需要深入思考的问题。

应用架构本质:

应用作为独立可部署的单元,为系统划分了明确的边界,深刻影响系统功能组织、代码开发、部署和运维等各方面,应用架构定义系统有哪些应用、以及应用之间如何分工和合作。

分有两种方式,一种是水平分,按照功能处理顺序划分应用,比如把系统分为web前端/中间服务/后台任务,这是面向业务深度的划分。另一种是垂直分,按照不同的业务类型划分应用,比如进销存系统可以划分为三个独立的应用,这是面向业务广度的划分。

应用的合反映应用之间如何协作,共同完成复杂的业务case,主要体现在应用之间的通讯机制和数据格式,通讯机制可以是同步调用/异步消息/共享DB访问等,数据格式可以是文本/XML/JSON/二进制等。

应用的分偏向于业务,反映业务架构,应用的合偏向于技术,影响技术架构。分降低了业务复杂度,系统更有序,合增加了技术复杂度,系统更无序。

应用架构的本质是通过系统拆分,平衡业务和技术复杂性,保证系统形散神不散。

系统采用什么样的应用架构,受业务复杂性影响,包括企业发展阶段和业务特点;同时受技术复杂性影响,包括IT技术发展阶段和内部技术人员水平。业务复杂性(包括业务量大)必然带来技术复杂性,应用架构目标是解决业务复杂性的同时,避免技术太复杂,确保业务架构落地。

常见的应用架构有多种,下面根据系统拆分方式,以及如何平衡业务与技术的角度进行分析,讨论各自的适用性,给企业应用架构选型提供参考。


1.单体式应用

系统只有一个应用,相应地,代码放在一个工程里管理;打包成一个应用;部署在一台机器;在一个DB里存储数据。单体式应用的架构如下图所示:





单体式应用采用分层架构,按照调用顺序,从上到下一般为表示层、业务层、数据访问层、DB层,表示层负责用户体验,业务层负责业务逻辑,数据访问层负责DB层的数据存取。

单体应用在水平方向上,上下层之间职责划分清晰;但垂直方向上缺乏清晰的边界,上下层模块之间是多对多的依赖关系,比如业务模块1 (图中BO1)可能调用数据层所有模块DAO 1~3, DAO1也可能被业务层所有模块BO1~3调用。

单体应用通过水平分层,降低了业务复杂性;同时模块之间是进程内部调用,技术实现简单。
但单体应用对系统的切分不彻底,只有水平切分,并且是逻辑上,因此适合业务比较单一,但深度上比较复杂的系统,比如TCP/IP网络通讯,从应用层/传输层/网络层/链路层,层层推进,类似这样的系统可以方便地增加水平层次去适配。

对于广度上复杂的业务,由于缺乏垂直切分,强行把不同业务绑定在一起,整个系统神散形不散,带来一系列问题。比如OTA网站包含机票/酒店/旅游等多个垂直业务板块,每块都比较独立,就不适合放在一起开发维护。

单体式应用的优点和缺点都很鲜明,如下图所示:




优点:
    现有IDE都是集成开发环境,非常适合单体式应用,开发、编译、调试一站式搞定
    一个应用包含所有功能,容易测试和部署
    运行在一个物理节点,环境单一,运行稳定,故障恢复简单

缺点:
    业务边界模糊,模块职责不清晰,当系统逐渐变大,代码依赖复杂,难以维护
    所有人同时在一个工程上开发,容易发生代码修改冲突,依赖复杂导致项目协调困难,并且局部修改影响不可知,需要全覆盖测试,需要重新部署,难以支持大团队并行开发
    当系统很大时,编译和部署耗时
    应用水平扩展难,一方面状态在应用内部管理,无法透明路由;另一方面,不同模块对资源需求差异大,当业务量增大时,一视同仁地为所有模块增加机器导致硬件浪费


2.分布式架构应用

在分布式应用架构中,应用相互独立,每个应用代码独立开发,独立部署,应用通过有限的API接口互相关联。API接口属于应用一部分,一般和表示层处于同一层次,两者共享业务逻辑层,API和表示层采用同样的web端技术,通讯协议一般使用HTTP,数据格式是JSON,应用集成方式比较简化。

分布式架构首先对系统按照业务进行垂直切分,对广度上复杂的业务实现物理解耦,应用内部还是水平切分,对深度上复杂的业务实现逻辑解耦。分布式架构也可以解决业务量大的问题,对于某些高并发/大流量系统,把系统切分为不同应用,针对资源需求特点(比如CPU/IO/存储密集型),通过加强硬件配置满足不同应用的需求,避免一刀切方式带来的资源浪费。

技术上,API采用标准的HTTP/JSON进行通讯,调用双方实现难度都不大,但是API一般是“裸奔”的,在系统层面,调用依赖关系不透明,调用可靠性缺乏保障,因此只适用应用之间依赖链路少,调用量不大的系统,即应用之间耦合确实够松的系统。

分布式架构应用的架构如下图所示:




优缺点:

分布式架构每个应用内部高内聚,独立开发、测试和部署,支持开发敏捷;同时应用之间松耦合,业务边界清晰,业务依赖明确,支持大项目并行开发,实现业务敏捷。

在分布式架构中,应用的表示层和API没有物理分离,需要同时满足自身业务需求和关联业务需求,相互影响,比如API接口会随着外部应用的需求经常变化,这会导致整个应用重新部署。

运行时,API以HTTP/REST方式通过网络对外提供接口,其通信可靠性和数据的封装性相对于进程内调用比较差,如果没有一些可靠的技术机制,如路由保障/失败重试/监控等, 裸奔的API方式将严重影响系统整体可用性。


3.SOA架构

广义上,SOA也是分布式应用架构一种,但内涵不同。

这里有两种类型的“应用”,应用1~N是前端应用,面向用户,服务1~N是service,只提供业务逻辑和数据。这些应用都是独立部署,前端应用不再通过API直接关联,而是通过后端服务共享业务逻辑。

此外相对于“裸奔”的API,SOA架构提供配套的服务治理,包括服务注册、服务路由、服务授权、服务降级、服务监控等等。这些功能通过专门的中间件支持,有中心化和去中心化两种方式。

SOA架构在分布式架构垂直切分的基础上,进一步把原来单体应用的业务逻辑层独立成service,做到物理上的彻底分离。

每个service专注于特定职责,实现系统核心业务逻辑,service之间通过互相调用,可以完成复杂业务逻辑,解决业务深度上的问题;同时service面向众多的应用,以共享的方式支持逻辑复用。所以,SOA架构既体现业务的分,又体现业务的合,更多地从业务整体上考虑系统拆分。

相比分布式应用架构,基于SOA的系统有大量的service应用,整个系统基于服务调用,所以对服务依赖的透明性和服务调用的可靠性提出很高要求,需要专门的SOA框架支持,还需要配套的监控体系和自动化的运维系统支持,技术复杂性高,SOA架构可以集中体现一个企业的IT技术能力。

SOA架构优缺点如下图所示:



优点:
    每个service都是浓缩的精华,聚焦某方面核心业务,同时以复用的方式供整个系统共享
    服务作为独立的应用,独立部署,接口清晰,很容易做自动化测试和部署
    服务是无状态的,很容易做水平扩展;通过容器虚拟化技术,实现故障隔离和资源高效利用,业务量大的时候,加机器即可
    基于SOA的系统可以根据服务运行情况,灵活调控服务资源,包括服务上下架、服务升降级等,使系统真正具备可运营的能力

缺点:
    系统依赖复杂,给开发/测试/部署带来一系列挑战。
    端到端的调用链路长,可靠性降低,依赖网络状况、服务框架及具体service的质量
    分布式数据一致性和分布式事务支持困难,一般通过最终一致性简化解决
    端到端的测试和排障复杂,SOA对运维提出更高要求


总结:

业务架构是生产活动的体现,应用架构是具体分工合作关系的体现。

单体应用类似原始氏族时代,氏族内部有简单分工,氏族之间没有联系;

分布式架构类似封建社会,每个家庭自给自足,家庭之间有少量交换关系;

SOA架构类似工业时代,企业提供各种成品服务,我为人人,人人为我,相互依赖。微内核的SOA架构类似后工业时代,有些企业聚焦提供水电煤等基础设施服务,其他企业在之上提供生活服务,依赖有层次。

业务架构是生产力,应用架构是生产关系,技术架构是生产工具。业务架构决定应用架构,应用架构需要适配业务架构,并随着业务架构不断进化,同时应用架构依托技术架构最终落地。



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