演进中的架构之单体系统时代

单体架构（Monolithic）

经过了上文《演进中的架构之原始分布式时代》中的架构时期之后，随着摩尔定律开始发挥作用的黄金时期来临，微型计算机的性能以每两年即增长一倍的惊人速度提升，硬件算力束缚软件规模的链条很快变得松动，信息系统进入了以单台或少数几台计算机即可作为服务器来支撑大型信息系统运作的单体时代，且在很长的一段时间内，单体系统都将是软件架构的主流。“单体”只是表明系统中主要的过程调用都是进程内调用，不会发生进程间通讯，仅此而已。

单体架构是今天绝大部软件开发者都学习、实践过的一种软件架构，许多介绍微服务的书籍和技术资料中也常把这种架构形式的应用称作“巨石系统”（Monolithic Application）。“单体架构”在整个软件架构演进的历史进程里，是出现的时间最早、应用的范围最广、使用人数最多、统治的历史最长的一种架构风格，但“单体”这个名称，却是要到微服务开始流行之后才“事后追认”所形成的概念，此前，并没有多少人将“单体”视作为一种架构来看待，如果你去查找软件架构的开发资料，可以轻而易举地找出大量以微服务为主题的书籍和文章，却很难找出专门教你如何开发单体系统的任何形式的材料，这一方面体现了单体架构本身的简单性，另一方面，也体现出相当长的时间尺度里，大家都已经习惯了软件架构就应该是单体这种样子。

剖析单体架构之前，我们有必要先理清一个概念误区，许多微服务的资料里，单体系统往往是以“反派角色”的身份登场的，譬如著名的微服务入门书《微服务架构设计模式》，第一章的名字就是“逃离单体的地狱”。这些材料所讲的单体系统，其实都是有一个没有明说的隐含定语：“大型的单体系统”。对于小型系统——即由单台机器就足以支撑其良好运行的系统，单体不仅易于开发、易于测试、易于部署，且由于系统中各个功能、模块、方法的调用过程都是进程内调用，不会发生进程间通讯（Inter-Process Communication，IPC。RPC属于IPC的一种特例，但请注意这里两个“PC”不是同个单词的缩写），因此连运行效率也是最高的一种架构风格，完全不应该被贴上“反派角色”的标签，反倒是那些爱赶技术潮流却不顾需求现状的微服务吹捧者更像是个反派。单体系统的缺陷，必须基于软件的性能需求超过了单机，软件的开发人员规模明显超过了“2 Pizza Teams”范畴的前提下才有讨论的价值，因此，本文后续讨论中所说的单体，均应该是特指“大型的单体系统”，也正因如此，本节中说到“单体是出现最早的架构风格”，与上一节介绍原始分布式时代开篇提到的“使用多个独立的分布式服务共同构建一个更大型系统的设想与实际尝试，反而要比今天大家所了解的大型单体系统出现的时间更早”实际并无矛盾。

单体系统

Monolith means composed all in one piece. The Monolithic application describes a single-tiered software application in which different components combined into a single program from a single platform.

—— Monolithic Application，Wikipedia

尽管“Monolithic”这个词语本身的意思“巨石”确实是带有一些“不可拆分”的隐含意味，但我们也不能简单粗暴地把单体系统在维基百科上的定义“All in One Piece”翻译成“铁板一块”，它其实更接近于自给自足（Self-Contained）的含义。这种“铁板一块”的译法不能全算作是段子，笔者相信肯定有一部分人说起单体架构、巨石系统的缺点，第一个在脑海中闪过的印象就是它的“不可拆分”，难以扩展，因此才不能支撑越来越大的软件规模。这种想法是有失偏颇的，至少不完整。从纵向角度来看，现代信息系统中，笔者从未见过实际生产环境里的哪个大型的系统是完全不分层的。分层架构（Layered Architecture）已是现在几乎所有信息系统建设中都普遍认可、普遍采用的软件设计方法，无论是单体还是微服务，抑或是其他架构风格，都会对代码进行纵向拆分，收到的外部的请求在各层之间以不同形式的数据结构进行流转传递，触及最末端的数据库后依次返回响应。在这个意义上的“可拆分”，单体架构完全不会展露出丝毫的弱势，反而还可能会因更容易开发、部署、测试而获得一些便捷性上的好处。

分层架构示意图

（图片来自O'Reilly的开放文档《Software Architecture Patterns》）

而在横向角度的“可拆分”上，单体架构也可以支持按照技术、功能、职责等角度，将软件拆分为各种模块，以便重用和团队管理。单体系统并不意味着就只能有一个整体的程序封装形式，如果需要，它完全可以由多个JAR、WAR、DLL、Assembly或者其他模块格式来构成。即使是以横向扩展（Scale Horizontally）的角度来衡量，在负载均衡器之后同时部署若干个单体系统的副本，以达到分摊流量压力的效果也是轻而易举可以实现的需求。

在“拆分”这方面，单体系统的真正缺陷不在如何拆分，而在是拆分之后的隔离与自治能力上的欠缺。由于所有代码都运行在同一个进程空间之内，所有模块、方法的调用都无需考虑网络分区、对象复制这些麻烦事和性能的损失。获得了进程内调用的简单、高效这些好处的同时，也意味着如果任何一部分代码出现了缺陷，过度消耗能进程空间内的公共资源，所造成的影响也是全局性的，难以隔离的。譬如出现了内存泄漏、线程爆炸、阻塞、死循环、端口占用过多等问题，都将会影响整个程序而不仅仅是某一个功能、模块本身的正常运作，如果消耗的是某些更高层次的公共资源，譬如数据库连接池泄漏，影响还将会波及到集群中其他横向扩展的单体副本的正常工作。

同样是由于所有代码都共享着同一个进程空间，代码无法隔离，也就无法（其实还是有办法，譬如使用OSGi这种运行时模块化框架，就是很别扭很复杂）做到单独停止、更新、升级某一部分代码，因为不可能有“停掉半个进程，重启1/4个进程”这样不合逻辑的操作，所以从动态可维护性来说，单体系统也是有所不足的，程序升级、修改缺陷往往需要制定专门的停机更新计划，做灰度发布也相对更加复杂。

如果说共享同一进程获得简单、高效的代价是同时损失了各个功能模块的自治、隔离能力，那这两者孰轻孰重呢？这个问题的潜台词其实是比较微服务、单体架构哪种更先进、优秀？笔者认为“先进和优秀”不可能是绝对的，这点可以举一个非常浅显的例子加以说明。譬如，沃尔玛将超市分为仓储部、采购部、安保部、库存管理部、巡检部、质量管理部、市场营销部，等等，可以划清职责，明确边界，让管理能力能支持企业的成长规模；但如果你家楼下开的小卖部，爸、妈加儿子，再算上看家的中华田园犬小黄一共也就只有四名员工，也去追求“先进管理”，划分仓储部、采购部、库存管理部……那纯粹是给自己找麻烦。单体架构下，哪怕是信息系统中两个相互毫无关联的子系统，也必须部署到一起。当系统规模小时这是优势，但系统规模大的时候、程序需要修改时候的部署成本、技术升级时的迁移成本都会变得高昂。按前面的例子来说，就是当公司小时，让安保部和质检部两个不相干的部门在同一栋大楼中办公是节约资源，但当公司人数增加，办公室已经拥挤不堪，也最多只能在楼顶加盖新楼层（相当于增强硬件性能），而不能让安保、质检分开地方办公，这才是缺陷所在。

由于隔离能力的缺失，除了难以阻断错误传播、不便于动态更新程序以外，还会带来难以技术异构（每个模块的代码都通常需要使用一样的程序语言，一样的编程框架。单体系统的技术栈异构不是一定做不到，譬如JNI就可以让Java混用C/CPP，但是这也是很麻烦的事，是迫不得已下的选择）等困难。不过，笔者看来，以上列举的这些问题都还不足以构成今天以微服务去代替单体系统成为潮流趋势的根本原因，笔者认为最根本的一点是：单体系统并不兼容“Phoenix”的特性。这种架构风格潜在的观念是希望系统的每一个部件，甚至每一处代码都尽量可靠，不出、少出缺陷，致力于构筑一个7×24小时不间断的可靠系统。这种观念在小规模软件上能运作良好，但系统越大，交付一个可靠的单体系统就变得越来越具有挑战性。如本文档的开篇语《什么是The Fenix Project》所说，正是随着软件架构演进，构筑可靠系统从“追求尽量不出错”，到正视“出错是必然”的观念转变，才是微服务架构得以挑战并逐步开始代替运作了数十年单体架构的根本驱动力所在。

不过，即使是为了允许程序出错，为了获得隔离、自治的能力，为了可以技术异构等目标，也并不意味着一定要依靠今天的微服务架构才能解决。在新旧世纪之交，人们曾经探索过几种服务的拆分方法，将一个大的单体系统拆分为若干个更小的、不运行在同一个进程的独立服务，这些服务拆分的方法后来导致了面向服务架构（Service-Oriented Architecture）的一段兴盛期，我们称其为“SOA时代”。

作者简介

周志明，腾讯云最具价值专家（TVP），Java技术、机器学习和企业级开发技术专家，现任远光软件研究院院长，机器学习方向博士， 开源技术的积极倡导者和推动者，对计算机科学和相关的多个领域都有深刻的见解，尤其是人工智能、Java技术和敏捷开发等领域。曾受邀在InfoQ和IBMDeveloperWorks等网站撰写技术专栏。

著有畅销书多本。著有《智慧的疆界》、《深入理解Java虚拟机》、《深入理解OSGi》，翻译了《Java虚拟机规范》等著作。其中《深入理解Java虚拟机》第1版出版于2011年，已经出至第3版，累计印刷超过35次，销量30万册；不仅销量好，而且口碑更好，是中文计算机图书领域公认的、难得一见的佳作。