什么是软件架构!

前段时间参加新型研发能力赋能学习,才真正明白软件的架构模式和设计模式还不一样。经典的架构模式超过20种,设计模式更多,据说超过300种。能记住这些名字都不容易,别说是理解和应用了。看了阮一峰的“软件架构入门”(是对Mark Richards的《Software Architecture Patterns》的阅读笔记),很有收获,整理出来分享给大家。

软件架构就是软件的基本结构。架构的本质是管理复杂性。如果你觉得架构不重要,可能是你做的事情不够复杂,或者是你没有管理好复杂性。架构模式虽多,但常用的适合ICT软件,也就那么几种:

1.分层架构

2.事件驱动架构

3.微核架构(又称插件架构)

4.微服务架构

5.云架构

一、分层架构

分层架构(layered architecture)是最常见的软件架构,也是事实上的软件标准架构。如果你不知道要用什么架构,那就用它。有人说软件职业生涯中只用到了一种架构,那一定也是它。当前很多产品的顶层架构,几乎无一例外的也是分层架构。

分层架构将软件分成若干个水平层,每一层都有清晰的角色和分工,不需要知道其他层的细节。层与层之间通过接口通信。虽然没有明确约定软件一定要分成多少层,但是最常见的是四层结构。

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  • 表现层(presentation):用户界面,负责视觉和用户互动
  • 业务层(business):实现业务逻辑
  • 持久层(persistence):提供数据,SQL 语句就放在这一层
  • 数据库(database) :保存数据

有的软件在逻辑层和持久层之间,加了一个服务层(service),提供不同业务逻辑需要的一些通用接口。用户的请求将依次通过这四层的处理,不能跳过其中任何一层。

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分层架构的优点:

1、结构简单,容易理解和开发;

2、不同技能的程序员可以分工,负责不同的层,天然适合大多数软件公司的组织架构。虽说架构决定组织,但实际上架3、构往往都是服从于组织;

3、每一层都可以独立测试,其他层的接口通过模拟解决。

分层架构的缺点:

1、 一旦环境变化,需要代码调整或增加功能时,通常比较费时费力;

2、部署比较麻烦,即使只修改一个小地方,往往需要整个软件重新部署,不容易做持续发布;

3、软件升级时,可能需要整个服务暂停;

4、扩展性差。用户请求大量增加时,必须依次扩展每一层,由于每一层内部是耦合的,扩展会很困难。

二、事件驱动架构

所谓事件(Event),是状态发生变化时,软件发出的通知,触发相关的操作。事件驱动架构(event-driven architecture)就是通过事件进行通信的软件架构。它分成四个部分:

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  • 事件队列(event queue):接收事件的入口
  • 分发器(event mediator):将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元
  • 事件通道(event channel):分发器与处理器之间的联系渠道
  • 事件处理器(event processor):实现业务逻辑,处理完成后会发出事件,触发下一步操作

对于简单的项目,事件队列、分发器和事件通道,可以合为一体,整个软件就分成事件代理和事件处理器两部分。

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事件驱动架构的优点:

1、分布式的异步架构,事件处理器之间高度解耦,软件的扩展性好;

2、适用性广,各种类型的项目都可以用;

3、性能较好,因为事件的异步本质,软件不易产生堵塞;

4、事件处理器可以独立地加载和卸载,容易部署。

事件驱动架构的缺点:

1、涉及异步编程(要考虑远程通信、失去响应等情况),开发相对复杂;

2、难以支持原子性操作,因为事件通过会涉及多个处理器,很难回滚;

3、分布式和异步特性导致这个架构较难测试。

事件驱动架构在通信产品中应用得也非常广泛,典型的如状态机处理。事件驱动架构不适于做顶层架构,但适合做局部实现,几乎遍布在通信软件的各个角落。

三、微核架构

微核架构(microkernel architecture)又称为"插件架构"(plug-in architecture),指的是软件的内核(core)做得相对较小,主要功能和业务逻辑都通过插件实现。

内核通常只包含系统运行的最小功能,插件则是互相独立的业务功能。插件之间的通信,应该减少到最低,避免出现互相依赖的问题。

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微核架构的优点:

1、良好的功能延伸性(extensibility),需要什么功能,开发一个插件即可;

2、功能之间是隔离的,插件可以独立的加载和卸载,使得它比较容易部署;

3、可定制性高,适应不同的开发需要;

4、可以渐进式地开发,逐步增加功能。

微核架构的缺点:

1、扩展性(scalability)差,内核通常是一个独立单元,不容易做成分布式;

2、开发难度相对较高,因为涉及到插件与内核的通信,以及内部的插件登记机制。

微核架构的设计和开发难度较高,这就注定它在企业产品中用得不多,虽然它的优点还不少。

四、微服务架构

微服务架构(microservices architecture)是面向服务架构(service-oriented architecture,缩写 SOA)的升级。每一个服务就是一个独立的部署单元(separately deployed unit)。这些单元都是分布式的,互相解耦,通过远程通信协议(比如REST、SOAP)联系。

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微服务架构分成三种实现模式:

  • RESTful API 模式:服务通过 API 提供,云服务就属于这一类;
  • RESTful应用模式:服务通过传统的网络协议或者应用协议提供,背后通常是一个多功能的应用程序,常见于企业内部;
  • 集中消息模式:采用消息代理(message broker),可以实现消息队列、负载均衡、统一日志和异常处理,缺点是会出现单点失败,消息代理可能要做成集群。

微服务架构的优点:

1、展性好,各个服务之间低耦合;

2、容易部署,软件从单一可部署单元,被拆成了多个服务,每个服务都是可部署单元;

3、容易开发,每个组件都可以进行持续集成式的开发,可以做到实时部署,不间断地升级;

4、易于测试,可以单独测试每一个服务。

微服务架构的缺点:

1、由于强调互相独立和低耦合,服务可能会拆分得很细。这导致系统依赖大量的微服务,变得很凌乱和笨重,性能也会不佳;

2、一旦服务之间需要通信(即一个服务要用到另一个服务),整个架构就会变得复杂。典型的例子就是一些通用的 Utility 类,一种解决方案是把它们拷贝到每一个服务中去,用冗余换取架构的简单性;

3、分布式的本质使得这种架构很难实现原子性操作,交易回滚会比较困难。

微服务架构易开发、易测试、易部署,解耦,扩展性好,所以它成为当今的网红也绝非偶然。但服务变多变细,势必带来新的管理复杂性。好在当前工具工程能力的强大,管理复杂性在一定程度上可以通过自动化来解决。尽快如此,服务的划分仍然很重要,不要通过后端的自动化来掩盖前端的不足。

五、云架构

云架构(cloud architecture)主要解决扩展性和并发的问题,是最容易扩展的架构。云化软件架构的核心是数据库去中心化,数据变成可复制的内存数据单元。业务处理能力封装成一个个处理单元。业务流程和数据分离,业务状态外置,处理单元水平扩展。访问量增加,就新建处理单元;访问量减少,就关闭处理单元。由于没有中央数据库,所以扩展性的最大瓶颈消失了。由于每个处理单元的数据都在内存里,最好要进行数据持久化。云化架构对于云上应用的可靠性、高扩展和高并发至关重要。

这个模式主要分成两部分:处理单元(processing unit)和虚拟中间件(virtualized middleware)。

处理单元:实现业务逻辑;

虚拟中间件:负责通信、保持sessions、数据复制、分布式处理、处理单元的部署。

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虚拟中间件又包含四个组件:

  • 消息中间件(Messaging Grid):管理用户请求和session,当一个请求进来以后,决定分配给哪一个处理单元;
  • 数据中间件(Data Grid):将数据复制到每一个处理单元,即数据同步。保证某个处理单元都得到同样的数据;
  • 处理中间件(Processing Grid):可选,如果一个请求涉及不同类型的处理单元,该中间件负责协调处理单元;
  • 部署中间件(Deployment Manager):负责处理单元的启动和关闭,监控负载和响应时间,当负载增加,就新启动处理单元,负载减少,就关闭处理单

云架构的优点:

1、高负载,高扩展;

2、动态部署。

云架构的缺点:

1、实现复杂,成本较高;

2、主要适合网站类应用,不合适大量数据吞吐的大型数据库应用;

3、较难测试。

以上是从技术本质,对架构进行分类。实际应用中,各种架构并不是孤立的,可以根据业务环境和业务诉求,对各种架构进行综合和嫁接。曾对微服务架构和微核架构进行综合,总结出微插件架构,适合于在资源受限的场景应用微服务的架构。另外,就如上面列举,每种架构都有其优点和缺点。优点不必多说,缺点则几乎都是通过工具工程能力的方法来规避,工具工程对软件架构非常重要。

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