【JavaWeb】从单体架构到微服务架构

一、前言

随着互联网的不断发展，后端架构不断更新，一文带你看遍整个过程。

二、单体架构

早期的web程序使用的就是单体架构，如图：

客户端使用域名www.baidu.com访问百度首页，但是服务端只能使用ip解析，不能对字符串解析，所以需要配合DNS服务器，将域名解析为ip地址，传递给服务器，这样服务器才可识别，服务器从数据库中取出数据，交给浏览器，用户可以查看。

上图中，tomcat和db放在同一个物理服务器上，共同使用一个物理服务器的硬件资源和通信资源。

tomcat需要使用的硬件资源包括：使用CPU资源进行计算、使用内存资源运行；
db需要使用的硬件资源包括：使用CPU资源进行计算、使用内存资源运行、使用硬盘资源持久化存储；
tomcat需要使用的通信资源包括：使用网络资源通信；
db需要使用的通信资源包括：使用网络资源通信。

由于一台物理服务器的硬件资源和网络资源有限，很容易达到瓶颈，所有可以把应用服务器tomcat和数据库db放到不同的物理服务器上，如下：

虽然把应用服务器tomcat和数据库db放到不同的物理服务器上，但是这种方式还是单体架构。

三、服务器集群架构

当客户端的网络请求并发数越来越多，服务端的无法承受如此大的网络并发，即服务器的响应成为了整个后端的性能瓶颈，是亟待处理的一个问题。

这里使用tomcat作为应用服务器，响应浏览器请求，tomcat默认并发数 200，即同一时刻最大响应用户请求数为200，超过200会容易出现网络延迟、数据异常等问题，所以对应用服务器tomcat采用集群架构。

服务器集群架构的两个问题：负载均衡、session同步。

负载均衡

由于一个tomcat无法满足并发量，使用多个物理服务器(服务器A 服务器B)搭载多个tomcat，客户端的请求先由负载均衡服务器(这里使用Nginx)处理，负载均衡服务器收到客户端请求后，使用负载均衡算法(有很多，总的原则是均衡各个服务器的压力)，将请求转发给相对的tomcat处理。

值得注意的是，这个负载均衡服务器虽然不处理客户端发来的请求，但是它还是要接收和转发客户端发来的请求，所以它本身必须是高可用的，这是使用Nginx，可以承受的并发量为50000，大多数情况下是可以的，如果不够，负载均衡服务器要在做集群。

session同步

由于http协议是无状态的，即http协议不保存客户端状态，即下一次http请求与上一次http请求无关，如用户的登录状态，如果无法被保存的话，那么每一次网络请求之前都要重新登录一次，这是糟糕的，单体架构中使用服务端的session保存用户的登录状态，如图：

但是使用tomcat集群后，有n个服务器，如果让用户的登录状态在各个服务器之间共享成为一个问题。

解决方式四种：

方式1：由客户端来保存桩体JWT；
方式2：各个服务器之间实现session复制；
方式3：一致性hash(对于同一个客户端的请求都发送到同一个服务器)；
方式4：session统一存储(spring-redis-session)。

四、数据库集群架构

当服务端使用tomcat集群架构后，现在负载压力要转移到数据库来了，即数据库读写成为了整个后端的性能瓶颈，而不是在是应用服务器的响应。

4.1 数据库读写分离、索引库搜索

数据库SQL语句优化

借助数据库索引或其他方法，对数据库中CRUD的SQL语句优化，可以大大提高数据库读写效率。

数据库读写分离

数据库查询操作为读操作，添加修改删除为写操作，在后端请求中，读操作的请求远远多于写操作的请求，传统的架构将读操作和写操作冗杂在同一个数据库中，越来越无法满足数据库并发请求，现在将数据库分为读库和写库，所有的读数据操作由读库来完成，所有的写操作由写库来完成，每一个只关注自己的请求，满足更高要求的并发。

数据库主从同步

原来一个数据库不存在数据同步的问题，但是分为读库和写库之后，就要保证读库写库的数据一致，数据库主从同步将数据库分为主库master和从库slave，并定义好主库从库的关系，当然，这里主要是保证写库对数据的插入、更新、删除可以被读库可见。

索引库搜索

即使是分为读库和写库，由于数据库读操作的太过于频繁，但是很多的数据必须存放在数据库，无法存放在内存和磁盘上，查询数据库的代价是非常大的。

比如搜索功能，淘宝、京东、百度的全局搜索功能，面对这种需求，提取出数据库中用于搜索的字段，建立一个专门应对用户搜索的索引库，支持模糊查询、快速响应，常见的有elasticsearch和solr。

索引库更新：全量、增量、实时、非实时

索引库的数据来源是数据库，那么数据库的变化（添加、修改、删除）如何更新给索引库呢？

全量更新：每次更新将数据库中用于搜索的字段的所有记录更新到索引库中；
全量更新优点：保证每次更新后索引库中数据库中数据同步；
全量更新缺点：所有记录更新，耗时太大，代价太大。

增量更新：每次更新将数据库中用于搜索的字段的新增记录更新到索引库中；
增量更新优点：仅更新新增记录，即仅添加数据库新增记录；
增量更新缺点：不保证索引库和数据库完全同步，仅更新上一次同步之后数据库中新增的记录，对于数据库中修改或删除的记录得不到更新，但是这样已经够了，因为索引库仅保证模糊搜索就好了，仅完成搜索功能，搜索后对具体业务的操作还是按数据库中的数据完成。

实时更新：数据库一旦修改用于搜索的字段的记录，索引库要更新；
实时更新优点：索引库与数据库中用于搜索字段的完全同步；
实时更新缺点：代价太大，每一次写数据操作还要额外多一次索引库更新操作。

非实时更新：每个一段固定时间（程序员设置），索引库更新数据库中用于搜索字段的记录；
非实时更新优点：代价小；
非实时更新缺点：无法实时保证索引库和数据库中记录同步。

4.2 redis数据存储、oss文件存储

数据库数据缓存

直接从数据库读库、写库中读写数据代价比较大，索引库虽然快，但是目标对象是大数据量的搜索，且是模糊搜索，现在想要从数据库中快速读取数据，需要使用到数据库缓存。
这里是使用redis，它是一种基于内存的非关系型数据库，基于内存则读写速度可以很快，缓存作为服务端程序和数据库之间的一层，解决服务端与数据库速度不匹配问题，大大加快数据读写速度。

redis数据预热

就是初始加载的时候，将需要用到的数据库放到redis，这样程序第一次加载就可以直接从redis中拿到数据，这样可以加快第一次加载的速度。

数据库文件存储

数据库的字段只能保存数据不能保存静态文件（即使可以保存静态文件也不建议这样去做），所以从古到今我的都是将文件保存到服务器磁盘上，数据库中存储文件路径。现在，我们可以使用阿里oss文件云存储工具，将文件存储在阿里云，为我们带来方便。

4.3 大数据量分库分表

当数据量变大时间，我们要对数据库分库分表操作，分库有两种业务数据库分离、冷热数据库分离，分表有两种水平分表、垂直分表。

库操作：业务数据库分离

如上图所示，由于数据量太大、记录数太多，单一数据库无法承担，将商品、库存、订单分表用单独的库来管理，这就是按照业务对数据库分库。

库操作：冷热数据库分离

分库处理业务数据库分离，还有一种冷热数据库分离，对于同一个业务数据库，将其分为热库和冷库，热库就是我们认为用户将会经常用到的数据，冷库就是我们认为用户偶尔用到的数据，数据读写现在热库中操作，未找到数据再在冷库中操作。
如果对数据划分冷热呢？当然，这结合具体业务来谈，一个通用的原则是，用户当前访问的数据可以认为是热乎的，用户不久之后还会用到，所以放在热库中；当一个数据用户隔着很久的一段时间没有用到，这个数据从热库中移到冷库中。这就是同一个数据库的冷热数据分离。

表操作：水平分表和垂直分表

水平分表：将表按记录划分，如一个表的记录数为500万，按记录划分为三个表记录分别为100万、200万、200万；
垂直分表：将表按字段划分，如一个表的字段为20个，但是我们认为其中5个字段很重要或其他的业务需求（通常是概要列表和详细信息的类似关系），将该表中5个字段提取出来，划分为一个表，即一个表15个字段、一个表5个字段。

五、SOA架构

由于数据库已经根据业务进行分库，服务端也要与数据库对应，将一个服务器处理一个服务，所以引入SOA架构。

SOA，英文全称为Service-Oriented Architecture，即面向服务架构，如图：

SOA架构需要解决两个问题：信息孤岛和复用。

信息孤岛

信息孤岛即SOA架构将服务端逻辑划分为一个个具体服务，那么各个服务之间如互相调用，如何数据共享？
解决：使用ESB企业服务总线。

复用

复用即SOA架构对于一些通用的信息如何使用？
解决：这里的话是将通用的信息放到“公共服务”中被业务服务调用。

六、微服务架构

SOA是面向服务，是粗粒度的服务，而微服务是对粗粒度服务的进一步解耦，如图：

可以看到，微服务去掉了SOA架构的ESB企业服务总线，然后将公用服务进一步细分。

SOA和微服务区别

SOA是面向服务的开始，微服务的面向服务的升华。

七、小结

在后端架构不断更新的过程，从单体架构到应用服务器集群，到数据库各个优化，再到SOA面向服务、微服务架构，虽然在跟随着业务需求不断变化，但是分层的思想一直没有发生变化。分层处理，这正是整个后端架构的精髓。

天天打码，天天进步！