系统架构设计的原则和模式

1 分层架构

分层架构是最常见的架构,也被称为n层架构。多年以来,许多企业和公司都在他们的项目中使用这种架构,它已经几乎成为事实标准,因此被大多数架构师、开发者和软件设计者所熟知。

分层架构中的层次和组件是水平方向的分层,每层扮演应用程序中特定的角色。根据需求和软件复杂度,我们可以设计N层,但大多数应用程序使用3-4层。有太多层的设计会很糟糕,将导致复杂度的上升,因为我们必须维护每一层。在传统的分层架构中,分层包括 表现层、业务或者服务层,以及数据访问层 。 表现层负责应用程序的用户交互和用户体验(外观和视觉)。通常我们会使用 数据传输对象(Data Transfer Object) 将数据带到这一层,然后使用 视图模型(View Model) 渲染到客户端。业务层接收请求并执行业务规则。数据访问层负责操作各种类型的数据库,每个访问数据库的请求都要经过这一层。

分层无需知道其他层如何去做,比如业务层无需知道数据访问层是如何查询数据库的,相反,业务层在调用数据层的特定方法时,只需关注需要部分数据还是全部数据。这就是我们所说的 关注点分离 。这是非常强大的功能,每层负责其所负的责任。

分层架构中的核心概念是管理依赖。如果我们使用依赖倒置原则和测试驱动开发(Test Driven Development),我们的架构会有更好的健壮性。因为,我们要保证所有可能的用例都有测试用例。

我们需要这样的冗余,即使业务层没有处理业务规则,也要通过业务层来调用数据层,这叫 分层隔离 。对于某些功能,如果我们从表现层直接访问数据层,那么数据层后续的任何变动都将影响到业务层和表现层。

分层架构中的一个重要的概念就是分层的开闭原则。如果某层是关闭的,那么每个请求都要经过着一层。相反,如果该层是开放的,那么请求可以绕过这一层,直接到下一层。

分层隔离有利于降低整个应用程序的复杂度。某些功能并不需要经过每一层,这时我们需要根据开闭原则来简化实现。

分层架构是SOLID原则的通用架构,当我们不确定哪种架构更合适的时候,分层架构将是一个很好的起点。我们需要注意防止架构陷入 污水池反模式 。这种反模式描述了请求经过分层,但没做任何事或者只处理了很少的事。如果我们的请求经过所有分层而没有做任何事,这就是 污水池反模式 的征兆。如果20%的请求只是经过各层,而80%的请求实际做事,这还好,如果这个比率不是这样的,那么我们已经患上 反模式综合征 。

此外,分层架构可以演变为 巨石应用(Monolith) ,导致代码库难以维护。

分层架构分析:

  • 敏捷性 :总体敏捷性是指对不断变化的环境作出反应的能力。由于其整体风格(Monolith)的性质,可能会变得难以应对通过所有层的变化,开发者需要注意依赖性和分层分离。
  • 易于部署 :大型应用程序的部署会是个麻烦。一个小要求,可能需要部署整个应用程序。如果能做好持续交付,可能会有所帮助。
  • 可测试性 :使用Mocking和Faking,每一层可以独立测试,因此测试上很容易。
  • 性能 :虽然分层应用程序可能表现良好,但是因为请求需要经过多个分层,可能会存在性能问题。
  • 可伸缩性 :因为耦合太紧以及整体风格(Monolith)的天生特质,很难对分层应用程序进行伸缩。然而,如果分层能够被构建为独立的部署,还是可以具备伸缩能力的。但是,这样做的代价可能很昂贵。
  • 易于开发 :这种模式特别易于开发。许多企业采用这种模式。大多数开发者也都知道、了解,并且可以轻松学习如何使用它。

2 事件驱动架构

事件驱动架构(Event Driven Architecture)是一种流行的 分布式异步架构 模式,用于创建 可伸缩的应用程序 。这种模式是自适应的,可用于小规模或者大规模的应用程序。事件驱动架构可以与 调停者拓扑(Mediator Topology) 或者 代理者拓扑(Broker Topology) 一起使用。理解拓扑的差异,为应用程序选择正确的拓扑是必不可少的。

调停者拓扑

调停者拓扑需要编排多种事件。比如在交易系统中,每个请求流程必须经过特定的步骤,如验证、订单、配送,以及通知买家等。在这些步骤中,有些可以手动完成,有些可以并行完成。

通常,架构主要包含4种组件,事件队列(Event Queue)、调停者(Mediator)、事件通道(Event Channel)和事件处理器(Event Processor)。客户端创建事件,并将其发送到事件队列,调停者接收事件并将其传递给事件通道。事件通道将事件传递给事件处理器,事件最终由事件处理器处理完成。

事件调停者不会处理也不知道任何业务逻辑,它只编排事件。事件调停者知道每种事件类型的必要步骤。业务逻辑或者处理发生在事件处理器中,事件通道、消息队列或者消息主题用于传递事件给事件处理器。事件处理器是自包含和独立的,解耦于架构。理想情况下,每种事件处理器应只负责处理一种事件类型。

通常,企业服务总线、队列或者集线器可以用作事件调停者。正确选择技术和实现能够降低风险。

代理者拓扑

不像调停者拓扑, 代理者拓扑 不使用任何集中的编排,而是在事件处理器之间使用简单的队列或者集线器,事件处理器知道处理事件的下一个事件处理器。

因其分布式和异步的性质, 事件驱动架构 的实现相对复杂。我们需要面对很多问题,比如网络分区、调停者失败、重新连接逻辑等。由于这是一个分布式且异步的模式,如果你需要事务,那就麻烦了,你得需要一个 事务协调器 。 分布式系统 中的事务非常难以管理,很难找到标准的工作单位模式。

另一个充满挑战的概念是契约。架构师声称服务的契约应该预先定义,而应变是非常昂贵的。

事件驱动架构分析:

  • 敏捷性 :由于事件和事件处理器之间解耦,并且可独立维护,因此这种模式的敏捷性很高。变化可以快速、轻松地完成,而不会影响整个系统。
  • 易于部署 :由于架构是解耦的,因此很容易部署。组件可以独立部署,并且可以在调停者上注册。部署在代理者拓扑上也相当简单。
  • 可测试性 :虽然独立测试组件很容易,但测试整个应用程序很有挑战。因此端到端的测试是很难的。
  • 性能 :事件驱动架构性能非常好,因为它是异步的。此外,事件通道和事件处理器可以并行工作,因为它们是解耦的。
  • 可伸缩性 :事件驱动架构的伸缩性非常好,因为组件之间解耦,组件可以独立扩展。
  • 易于开发 :这种架构的开发不是很容易。需要明确定义契约,错误处理和重试机制得处理得当。

3 微内核架构

微内核架构(Microkernel architecture)模式也被称为 插件架构(plugin architecture) 模式。这是产品型应用程序的理想模式,由两部分组成: 核心系统 和插件模块 。核心系统通常包含最小的业务逻辑,并确保能够加载、卸载和运行应用所需的插件。许多操作系统使用这种模式,因此得名微内核。

插件彼此独立,因此解偶。核心系统持有注册器,插件将自己注册其上,因此核心系统知道哪里可以找到它们以及如何运行它们。

这种模式非常适合桌面应用程序,但是也可以在Web应用程序中使用。事实上,许多不同的架构模式可以作为整个系统的一个插件。对于产品型应用程序来说,如果我们想将新特性和功能及时加入系统,微内核架构是一种不错的选择。

微内核架构分析:

  • 敏捷性 :由于插件可以独立开发并注册到核心系统,微内核架构具有很高的敏捷性。
  • 易于部署 :依赖于核心系统的实现,能做到不需要重新启动整个系统来完成部署。
  • 可测试性 :如果插件开发是独立的,测试就可以独立且隔离地进行。还可以Mock核心系统来测试插件。
  • 性能 :这取决于我们有多少插件在运行,但性能可以调优。
  • 可伸缩性 :如果整个系统被部署为单个单元,这个系统将难以扩展。
  • 易于开发 :这种架构不容易开发。实现核心系统和注册会很困难,而且插件契约和数据交换模型增加了难度。

4 微服务架构

尽管微服务的概念还相当新,但它确实已经快速地吸引了大量的眼球,以替代整体应用和面向服务架构(SOA)。其中的一个核心概念是具备高可伸缩性、易于部署和交付的独立部署单元(Separately Deployable Units)。最重要的概念是包含业务逻辑和处理流程的服务组件(Service Component)。拿捏粒度设计服务组件是必要而具有挑战性的工作。服务组件是解耦的、分布式的、彼此独立的,并且可以使用已知协议来访问。

微服务的发展是因为整体应用和面向服务应用程序的缺陷。整体应用程序通常包含紧耦合的层,难以部署和交付。比如,如果应用程序总在每次应对变化时垮掉,这是一个因耦合而产生的大问题。微服务将应用程序分解为多个部署单元,因此很容易提升开发和部署能力,以及可测性。虽然面向服务架构非常强大,具有异构连接和松耦合的特性,但是性价比不高。它很复杂、昂贵,难于理解和实现,通常对于大多数应用程序来说矫枉过正。微服务简化了这种复杂性。

跨服务组件的代码冗余是完全正常的。开发微服务时,为了受益于独立的部署单元,以及更加容易的部署,我们可以违反DRY原则。其中的挑战来自服务组件之间的契约,以及服务组件的可用性。

微服务架构分析:

  • 敏捷性 :由于服务组件可以各自独立开发,彼此没有耦合,因此微服务架构具有很高的敏捷性。独立部署单元能够对变化作出迅速的反应。
  • 易于部署 :相比其他的架构模式,微服务的优势是服务组件即是单独部署单元。
  • 可测试性 :服务组件的测试可以独自完成。微服务的可测试性很高。
  • 性能 :依赖于服务组件和这种特定模式的分布式性质。
  • 可伸缩性 :独立部署单元天然具备很好的伸缩性。
  • 易于开发 :每个服务组件可以各自独立实现。

原文发布于微信公众号 - 架构师小秘圈(seexmq)

原文发表时间:2018-02-24

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