四種軟件架構(gòu)演進(jìn)史
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時(shí)間：2021-04-14
如果一個(gè)軟件開發(fā)人員，不了解軟件架構(gòu)的演進(jìn)，會(huì)制約技術(shù)的選型和開發(fā)人員的生存、晉升空間。這里我列舉了目前主要的四種軟件架構(gòu)以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能夠幫助軟件開發(fā)人員拓展知識(shí)面。
一、單體架構(gòu)
單體架構(gòu)比較初級(jí)，典型的三級(jí)架構(gòu)，前端(Web/手機(jī)端)+中間業(yè)務(wù)邏輯層+數(shù)據(jù)庫(kù)層。這是一種典型的Java Spring mvc或者Python Django框架的應(yīng)用。其架構(gòu)圖如下所示：
單體架構(gòu)的應(yīng)用比較容易部署、測(cè)試， 在項(xiàng)目的初期，單體應(yīng)用可以很好地運(yùn)行。然而，隨著需求的不斷增加， 越來(lái)越多的人加入開發(fā)團(tuán)隊(duì)，代碼庫(kù)也在飛速地膨脹。慢慢地，單體應(yīng)用變得越來(lái)越臃腫，可維護(hù)性、靈活性逐漸降低，維護(hù)成本越來(lái)越高。下面是單體架構(gòu)應(yīng)用的一些缺點(diǎn)：
復(fù)雜性高：以一個(gè)百萬(wàn)行級(jí)別的單體應(yīng)用為例，整個(gè)項(xiàng)目包含的模塊非常多、模塊的邊界模糊、 依賴關(guān)系不清晰、 代碼質(zhì)量參差不齊、 混亂地堆砌在一起?？上攵麄€(gè)項(xiàng)目非常復(fù)雜。每次修改代碼都心驚膽戰(zhàn)， 甚至添加一個(gè)簡(jiǎn)單的功能， 或者修改一個(gè)Bug都會(huì)帶來(lái)隱含的缺陷。
技術(shù)債務(wù)：隨著時(shí)間推移、需求變更和人員更迭，會(huì)逐漸形成應(yīng)用程序的技術(shù)債務(wù)， 并且越積 越多。“ 不壞不修”， 這在軟件開發(fā)中非常常見(jiàn)， 在單體應(yīng)用中這種思想更甚。已使用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或代碼難以被修改，因?yàn)閼?yīng)用程序中的其他模塊可能會(huì)以意料之外的方式使用它。
部署頻率低：隨著代碼的增多，構(gòu)建和部署的時(shí)間也會(huì)增加。而在單體應(yīng)用中， 每次功能的變更或缺陷的修復(fù)都會(huì)導(dǎo)致需要重新部署整個(gè)應(yīng)用。全量部署的方式耗時(shí)長(zhǎng)、 影響范圍大、 風(fēng)險(xiǎn)高， 這使得單體應(yīng)用項(xiàng)目上線部署的頻率較低。而部署頻率低又導(dǎo)致兩次發(fā)布之間會(huì)有大量的功能變更和缺陷修復(fù)，出錯(cuò)率比較高。
可靠性差：某個(gè)應(yīng)用Bug，例如死循環(huán)、內(nèi)存溢出等， 可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用的崩潰。
擴(kuò)展能力受限：?jiǎn)误w應(yīng)用只能作為一個(gè)整體進(jìn)行擴(kuò)展，無(wú)法根據(jù)業(yè)務(wù)模塊的需要進(jìn)行伸縮。例如，應(yīng)用中有的模塊是計(jì)算密集型的，它需要強(qiáng)勁的CPU；有的模塊則是IO密集型的，需要更大的內(nèi)存。由于這些模塊部署在一起，不得不在硬件的選擇上做出妥協(xié)。
阻礙技術(shù)創(chuàng)新：單體應(yīng)用往往使用統(tǒng)一的技術(shù)平臺(tái)或方案解決所有的問(wèn)題， 團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)成員 都必須使用相同的開發(fā)語(yǔ)言和框架，要想引入新框架或新技術(shù)平臺(tái)會(huì)非常困難。
二、分布式應(yīng)用
中級(jí)架構(gòu)，分布式應(yīng)用，中間層分布式+數(shù)據(jù)庫(kù)分布式，是單體架構(gòu)的并發(fā)擴(kuò)展，將一個(gè)大的系統(tǒng)劃分為多個(gè)業(yè)務(wù)模塊，業(yè)務(wù)模塊分別部署在不同的服務(wù)器上，各個(gè)業(yè)務(wù)模塊之間通過(guò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)庫(kù)也大量采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，如redis、ES、solor等。通過(guò)LVS/Nginx代理應(yīng)用，將用戶請(qǐng)求均衡的負(fù)載到不同的服務(wù)器上。其架構(gòu)圖如下所示：
該架構(gòu)相對(duì)于單體架構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種架構(gòu)提供了負(fù)載均衡的能力，大大提高了系統(tǒng)負(fù)載能力，解決了網(wǎng)站高并發(fā)的需求。另外還有以下特點(diǎn)：
降低了耦合度：把模塊拆分,使用接口通信,降低模塊之間的耦合度。
責(zé)任清晰：把項(xiàng)目拆分成若干個(gè)子項(xiàng)目,不同的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)不同的子項(xiàng)目。
擴(kuò)展方便：增加功能時(shí)只需要再增加一個(gè)子項(xiàng)目,調(diào)用其他系統(tǒng)的接口就可以。
部署方便:可以靈活的進(jìn)行分布式部署。
提高代碼的復(fù)用性：比如service層,如果不采用分布式rest服務(wù)方式架構(gòu)就會(huì)在手機(jī)wap商城,微信商城,pc,android，ios每個(gè)端都要寫一個(gè)service層邏輯,開發(fā)量大,難以維護(hù)一起升級(jí),這時(shí)候就可以采用分布式rest服務(wù)方式,公用一個(gè)service層。
缺點(diǎn) : 系統(tǒng)之間的交互要使用遠(yuǎn)程通信,接口開發(fā)增大工作量,但是利大于弊。
三、微服務(wù)架構(gòu)
微服務(wù)架構(gòu)，主要是中間層分解，將系統(tǒng)拆分成很多小應(yīng)用（微服務(wù)），微服務(wù)可以部署在不同的服務(wù)器上，也可以部署在相同的服務(wù)器不同的容器上。當(dāng)應(yīng)用的故障不會(huì)影響到其他應(yīng)用，單應(yīng)用的負(fù)載也不會(huì)影響到其他應(yīng)用，其代表框架有Spring cloud、Dubbo等。其架構(gòu)圖如下所示：
易于開發(fā)和維護(hù)：一個(gè)微服務(wù)只會(huì)關(guān)注一個(gè)特定的業(yè)務(wù)功能，所以它業(yè)務(wù)清晰、代碼量較少。開發(fā)和維護(hù)單個(gè)微服務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單。而整個(gè)應(yīng)用是由若干個(gè)微服務(wù)構(gòu)建而成的，所以整個(gè)應(yīng)用也會(huì)被維持在一個(gè)可控狀態(tài)。
單個(gè)微服務(wù)啟動(dòng)較快：單個(gè)微服務(wù)代碼量較少， 所以啟動(dòng)會(huì)比較快。
局部修改容易部署：單體應(yīng)用只要有修改，就得重新部署整個(gè)應(yīng)用，微服務(wù)解決了這樣的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)某個(gè)微服務(wù)進(jìn)行修改，只需要重新部署這個(gè)服務(wù)即可。
技術(shù)棧不受限：在微服務(wù)架構(gòu)中，可以結(jié)合項(xiàng)目業(yè)務(wù)及團(tuán)隊(duì)的特點(diǎn)，合理地選擇技術(shù)棧。例如某些服務(wù)可使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL；某些微服務(wù)有圖形計(jì)算的需求，可以使用Neo4j；甚至可根據(jù)需要，部分微服務(wù)使用Java開發(fā)，部分微服務(wù)使用Node.js開發(fā)。
微服務(wù)雖然有很多吸引人的地方，但它并不是免費(fèi)的午餐，使用它是有代價(jià)的。使用微服務(wù)架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)。
運(yùn)維要求較高：更多的服務(wù)意味著更多的運(yùn)維投入。在單體架構(gòu)中，只需要保證一個(gè)應(yīng)用的正常運(yùn)行。而在微服務(wù)中，需要保證幾十甚至幾百個(gè)服務(wù)服務(wù)的正常運(yùn)行與協(xié)作，這給運(yùn)維帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。
分布式固有的復(fù)雜性：使用微服務(wù)構(gòu)建的是分布式系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)容錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)延遲、分布式事務(wù)等都會(huì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。
接口調(diào)整成本高：微服務(wù)之間通過(guò)接口進(jìn)行通信。如果修改某一個(gè)微服務(wù)的API，可能所有使用了該接口的微服務(wù)都需要做調(diào)整。
重復(fù)勞動(dòng)：很多服務(wù)可能都會(huì)使用到相同的功能，而這個(gè)功能并沒(méi)有達(dá)到分解為一個(gè)微服務(wù)的程度，這個(gè)時(shí)候，可能各個(gè)服務(wù)都會(huì)開發(fā)這一功能，從而導(dǎo)致代碼重復(fù)。盡管可以使用共享庫(kù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（例如可以將這個(gè)功能封裝成公共組件，需要該功能的微服務(wù)引用該組件），但共享庫(kù)在多語(yǔ)言環(huán)境下就不一定行得通了。
四、Serverless架構(gòu)
當(dāng)我們還在容器的浪潮中前行時(shí)，已經(jīng)有一些革命先驅(qū)悄然布局另外一個(gè)云計(jì)算戰(zhàn)場(chǎng)：Serverless架構(gòu)。
2014年11月14日，亞馬遜AWS發(fā)布了新產(chǎn)品Lambda。當(dāng)時(shí)Lambda被描述為：一種計(jì)算服務(wù)，根據(jù)時(shí)間運(yùn)行用戶的代碼，無(wú)需關(guān)心底層的計(jì)算資源。從某種意義上來(lái)說(shuō)，Lambda姍姍來(lái)遲，它像云計(jì)算的PaaS理念：客戶只管業(yè)務(wù)，無(wú)需擔(dān)心存儲(chǔ)和計(jì)算資源。在此前不久，2014年10月22日，谷歌收購(gòu)了實(shí)時(shí)后端數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)業(yè)公司Firebase。Firebase聲稱開發(fā)者只需引用一個(gè)API庫(kù)文件就可以使用標(biāo)準(zhǔn)REST API的各種接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，只需編寫HTML＋CSS＋JavaScrip前端代碼，不需要服務(wù)器端代碼（如需整合，也極其簡(jiǎn)單）。
相對(duì)于上兩者，F(xiàn)acebook 在2014年二月收購(gòu)的 Parse，則側(cè)重于提供一個(gè)通用的后臺(tái)服務(wù)。這些服務(wù)被稱為Serverless或no sever。想到PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）了是嗎？很像，用戶不需要關(guān)心基礎(chǔ)設(shè)施，只需要關(guān)心業(yè)務(wù)，這是遲到的PaaS，也是更實(shí)用的PaaS。這很有可能將會(huì)變革整個(gè)開發(fā)過(guò)程和傳統(tǒng)的應(yīng)用生命周期，一旦開發(fā)者們習(xí)慣了這種全自動(dòng)的云上資源的創(chuàng)建和分配，或許就再也回不到那些需要微應(yīng)用配置資源的時(shí)代里去了。
Serverless架構(gòu)能夠讓開發(fā)者在構(gòu)建應(yīng)用的過(guò)程中無(wú)需關(guān)注計(jì)算資源的獲取和運(yùn)維，由平臺(tái)來(lái)按需分配計(jì)算資源并保證應(yīng)用執(zhí)行的SLA（服務(wù)等級(jí)協(xié)議），按照調(diào)用次數(shù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，有效的節(jié)省應(yīng)用成本。ServerLess的架構(gòu)如上圖所示。其優(yōu)點(diǎn)如下所示：
低運(yùn)營(yíng)成本：在業(yè)務(wù)突發(fā)性極高的場(chǎng)景下，系統(tǒng)為了應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)高峰，必須構(gòu)建能夠應(yīng)對(duì)峰值需求的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在大部分時(shí)間是空閑的，這就導(dǎo)致了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和成本上升。在微服務(wù)架構(gòu)中，服務(wù)需要一直運(yùn)行，實(shí)際上在高負(fù)載情況下每個(gè)服務(wù)都不止一個(gè)實(shí)例，這樣才能完成高可用性；在Serverless架構(gòu)下，服務(wù)將根據(jù)用戶的調(diào)用次數(shù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，按照云計(jì)算pay-as-you-go原則，如果沒(méi)有東西運(yùn)行，你就不必付款，節(jié)省了使用成本。同時(shí)，用戶能夠通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò)、硬盤、CPU等計(jì)算資源，在業(yè)務(wù)高峰期通過(guò)彈性擴(kuò)容方式有效的應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)峰值，在業(yè)務(wù)波谷期將資源分享給其他用戶，有效的節(jié)約了成本。
簡(jiǎn)化設(shè)備運(yùn)維：在原有的IT體系中，開發(fā)團(tuán)隊(duì)即需要維護(hù)應(yīng)用程序，同時(shí)還要維護(hù)硬件基礎(chǔ)設(shè)施；Serverless架構(gòu)中，開發(fā)人員面對(duì)的將是第三方開發(fā)或自定義的API 和URL，底層硬件對(duì)于開發(fā)人員透明化了，技術(shù)團(tuán)隊(duì)無(wú)需再關(guān)注運(yùn)維工作，能夠更加專注于應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。
提升可維護(hù)性：Serverless架構(gòu)中，應(yīng)用程序?qū)⒄{(diào)用多種第三方功能服務(wù)，組成最終的應(yīng)用邏輯。目前，例如登陸鑒權(quán)服務(wù)，云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等第三方服務(wù)在安全性、可用性、性能方面都進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，開發(fā)團(tuán)隊(duì)直接集成第三方的服務(wù)，能夠有效的降低開發(fā)成本，同時(shí)使得應(yīng)用的運(yùn)維過(guò)程變得更加清晰，有效的提升了應(yīng)用的可維護(hù)性。
更快的開發(fā)速度：這一點(diǎn)在現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司得到很好的體現(xiàn)，創(chuàng)業(yè)公司往往開始由于人員和資金等問(wèn)題，不可能每個(gè)產(chǎn)品線都同時(shí)進(jìn)行，這時(shí)候就可以考慮第三方的Baas平臺(tái)，比如使用微信的用戶認(rèn)證、阿里云提供的RDS，極光的消息推送，第三方支付及地理位置等等，能夠很快進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的速度，把工作重點(diǎn)放在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)上，把產(chǎn)品更快的推向市場(chǎng)。
但ServerLess架構(gòu)也有其缺點(diǎn)：
廠商平臺(tái)綁定：平臺(tái)會(huì)提供Serverless架構(gòu)給大玩家，比如AWS Lambda，運(yùn)行它需要使用AWS指定的服務(wù)，比如API網(wǎng)關(guān)，DynamoDB，S3等等，一旦你在這些服務(wù)上開發(fā)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，你會(huì)粘牢AWS，以后只好任由他們漲價(jià)定價(jià)或者下架等操作，個(gè)性化需求很難滿足，不能進(jìn)行隨意的遷移或者遷移的成本比較大，同時(shí)不可避免帶來(lái)一些損失。Baas行業(yè)內(nèi)一個(gè)比較典型的事件，2016年1月19日Facebook關(guān)閉曾經(jīng)花巨額資金收購(gòu)的Parse，造成用戶不得不遷移在這個(gè)平臺(tái)中產(chǎn)生一年多的數(shù)據(jù)，無(wú)疑需要花費(fèi)比較大的人力和時(shí)間成本。
成功案例比較少，沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：目前的情況也只適合簡(jiǎn)單的應(yīng)用開發(fā)，缺乏大型成功案例的推動(dòng)。對(duì)于Serverless缺乏統(tǒng)一的認(rèn)知以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法適應(yīng)所有的云平臺(tái)。
目前微服務(wù)架構(gòu)在四種架構(gòu)中處于主流地位，很多應(yīng)用第一、第二種架構(gòu)的企業(yè)也開始慢慢轉(zhuǎn)向微服務(wù)架構(gòu)。到目前為止微服務(wù)的技術(shù)相對(duì)于二三年前已經(jīng)比較成熟，第四種架構(gòu)將是未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)。
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