软件设计——云原生12要素

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前言

“Twelve-Factor App”的概念出现很久了，一般叫”12要素”，用来衡量一个后端服务是否适合搬到云上。以前不太明白其中的含义，经过一些实战之后，再回头看这些理论，发现这些“要素”个个一针见血，讲的正是实践中最容易踩的、最常见的坑。

12要素具体指什么

“Twelve-Factor App”是Heroku创始人Adam Wiggins在2012年提出的十二要素，描述云端服务应当遵循的一些最佳实践。相比于不符合这些特征的传统应用服务，具有这些特征更合适云化。“Twelve-Factor”指的是下面的12条（不是一一对应翻译）：

• Codebase：基线代码。

• Dependencies：显式和隔离的依赖。

• Configuration：配置分离存储到环境中。

• Backing services：分离基础的后端组件。

• Build, release, run：严格分离构建、发布、运行。

• Processes：无状态的服务进程。

• Port binding：自带端口绑定。

• Concurrency：通过进程的水平扩展增大并发能力。

• Disposability：易处置 - 快速启动和优雅退出。

• Dev/prod parity：环境对等。

• Log：日志作为事件流。

• Admin processes：分离管理类任务。

如何理解这12点

Adam是在Heroku这个Platform as a Service模式的企业积累了大量经验，总结出的这些“要素”。对于PaaS提供商，关注的是应用服务如何在其Platform上运行的更好，因此要理解这些要素，我们先得搞清楚一个服务是怎么在Platform上跑起来的，简化的流程如下图所示：

落实到真实场景中具体是什么样的呢？Heroku国内用的很少，我们以标准的Kubernetes平台为例展开来看：一个典型的容器化的后端服务，从开发到上线需要经历哪些步骤：

1、设计阶段：需求分析和领域设计、技术选型确定依赖的框架和组件、建立项目框架。

2、开发阶段：开发、测试、代码评审，迭代到可发布的版本。

3、创建镜像仓库，为服务编写Dockerfile，构建出服务的容器镜像。

4、创建容器编排文件，确定非产线环境部署运维阶段的各项细节。

5、在测试环境确认基础设施容量以及第三方组件，符合条件并初始化完毕，比如数据库的创建和初始化DDL的执行。

6、准备部署到测试环境，在配置中心创建或更新配置文件，配置参数和密钥等。

7、创建或更新持续集成、交付系统的任务管道， 执行CI/CD Pipeline，部署到测试环境。

8、配置测试环境的访问入口，如反向代理的路由、域名等等。

9、日志、监控、告警、链路追踪等相关组件接入。

10、在测试环境进行完整的功能集成测试、性能测试。

11、在预上线环境，重复步骤6-10。

12、在产线环境，重复步骤6-10。

13、继续迭代，完成开发和单测后，在每个环境重复步骤6-10，其中7,8,9中无需修改的部分可以跳过。

14、每次迭代灰度发布，逐步放开新版本的流量。

可以看出，一个正经的后端系统，初次上线和后续迭代的流程已经比较复杂。如果单靠人力，单体系统勉强可以应付，毕竟单体系统即使变成”大泥球”，也大多处于人力可控的范围内。但随着复杂度进一步提升，整个系统演化成微服务系统，往往包含十几个、数十个、甚至成百上千个子服务，多个服务之间还有依赖关系，这其中的技术挑战是显而易见的。

复杂性无法避免，如何在复杂情况下，尽量提高效率、减少错误呢？

答案就是，在设计和开发阶段去迎合云平台以及整个生态的能力，从一开始就要做一个适合在云上跑的服务。

“12要素”应运而生，给了我们一把衡量“是否适合上云”的标尺。用个不太恰当的说法就是“屁股决定脑袋”。如果不遵循这些“要素”，不适应云平台提供的能力、不剥离业务无关的部分，随着服务规模增大、业务复杂度进一步提高，就非常容易引发问题了。

这也是“12要素”出现的背景和原因，了解这些之后，其内容就更好理解了。下面我们把12要素归为两类，一类是放之四海而皆准的，第二类是对云原生应用特别重要的，以举反例的形式逐一讲解。

第一类：几乎任何场景都适合的

基线代码 - Codebase

One codebase tracked in revision control, many deploys.

基线代码可以理解为多层意思：一个项目一个仓库；Git分支也不要分岔之后合不回来了；不要在多个仓库出现重复的代码，把通用的代码抽成独立维护的仓库。

反模式的例子：多个不相干项目数百万行代码全部放到一个代码仓库；对于一些需求差异，直接复制项目仓库单独开发，同时维护多个仓库代码。想象一下这两个例子，CI/CD系统心理阴影面积多大。

另外，代码仓库的管理还影射了更深的含义。康威定律告诉我们，组织和团队的形态最终会反映到产品的形态上。因此看一个公司的代码仓库如何被创建和管理的，这个公司开发团队组织结构和技术管理水平也可见一斑。

显式和隔离的依赖 - Dependencies

Explicitly declare and isolate dependencies

完善的依赖管理机制、显式的依赖声明文件和版本锁机制，能够减少因为错误的依赖版本导致的Bug。

反模式的例子：Node.js之父Ryan Dahl另起炉灶创造了Deno，Deno的import远程代码就是Node世界的npm反向极端，造成了隐式依赖；Golang在1.13之前没有go module的时候，也是违反这条原则的。且不说不清晰的第三方依赖容易导致“投毒”，这对代码的问题定位、维护、交接都是很大的负担。

注：这一小节的“反模式”并不是指技术本身哪里不好，其创造者都是世界顶级的工程师和科学家，仅指它们的一些原生特性，对开发复杂的应用不够友好。

配置分离存储到环境中 - Configuration

Store config in the environment

配置数据和构建产物完全分离，配置数据单独管理，只在运行环境中出现。

《Beyond the Twelve-Factor App》中有一个比喻：代码制品、生产环境配置 是两个危险的化学物质，混合到一起就可能随时爆炸。因此，我们需要把配置（尤其是密钥类、功能开关、策略类配置）的重要性提升到很高的级别，小心翼翼地管理。

若是配置不完全和代码分离，相当于两个危险的化合物一开始就被混合在一起，部署的时候原地爆炸也不足为奇。

反模式的例子：环境相关的配置，混在容器镜像、甚至代码包中，每个环境需要单独构建打包一个版本。这种“不正确”的做法在传统的开发模式中很常见。

分离构建、发布、运行 - Build, Release, Run

Strictly separate build and run stages

在本节一开始分享的图中有6个阶段：设计、开发、构建、发布、配置、运行。

配置在上一小节已经说明为什么一定要分离出来。设计、开发在传统软件生命周期模型中已经是两步。

剩下的3个阶段就是：构建、发布、运行，而这三者在传统软件的发布流程中通常并没有完全分离。

为什么要强调“构建、发布、运行”三个阶段一定要分离开来呢？

有两个好处：

职责和关注点的分离。构建是开发测试人员更关注的、发布是产品经理更关注的、运行是运维更关注的；

• 流水线模式带来的效率提升，以及各阶段之间的缓冲空间，每个阶段有专门的工具和方法论。

• 怎么做到这三个阶段的分离呢？流水线的运行不是靠人力保障的，自动化系统很重要。用好CI/CD系统、项目管理系统，制定好规则和流程并自动运转起来，足矣。

反模式的例子：开发改完代码，本地打个Patch发给运维，也不告知产品经理改了什么，直接口头告诉运维批量更换某些文件。

环境对等 - Dev/prod parity

Keep development, staging, and production as similar as possible

开发、测试、预上线、生产环境等等，甚至本地环境，都保持环境一致，这样能最大限度减少“我本地是正常的啊”、“开发环境是正常的啊”、“是不是环境/机器问题”这类甩锅式的抱怨。

反模式的例子：开发环境不容器化，产线容器化；开发环境用的MariaDB，产线用的MySQL；开发环境数据库没主从，产线配置了主从同步。MySQL读写分离时，主从同步那几毫秒的延迟导致各种奇怪Bug，在开发环境也许永远都重现不出来。

第二类：对云原生应用及其重要的

这篇题目为什么叫“云原生12要素”呢？其实Adam的原义只是说云端应用应当具备的特征，并不是指云原生（Cloud Native）。本文想讲的不单是跑在云端的应用，而是有更现代化特征的云原生应用，所以用了这个题目。

其实在Adam提出“12要素”一年后的2013年，才出现“云原生”的概念，云原生的含义也经历了一些演变。

2015年Matt Stine在《Migrating to Cloud-Native Application Architectures》一书中对云原生的定义就是：

• 符合12要素（The Twelve-Factor App）

• 微服务（Microservices）

• 自助式敏捷基础设施（Self-Service Agile Infrastructure）

• 基于API协作（API-based Collaboration）

• 健壮、抗压能力（Anti-Fragility）

后来云2015年Linux基金会发起原生基金组织（CNCF），给出的定义是：容器、自动化、微服务。

到了2017年，Pivotal稍微改了一点，变成了：DevOps、持续交付、微服务、容器。

目前为止，CNCF官方最新的定义在技术上的概括是：容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式API。

云原生含义的演化过程，有一个基调一直没变，就是微服务。微服务是当前云原生应用的表现形式，或许云原生以后还会进一步增加Serverless。下面这些“要素”，对微服务/无服务的设计和开发非常重要。

分离基础的后端组件 - Backing services

Treat backing services as attached resources

所有依赖的基础组件或者其他应用服务，比如数据库、缓存服务、消息队列、二方/三方服务，都视为独立于自身之外的资源，独立部署，通过网络访问。

用面向对象的术语类比，就是视别的服务为“关联”的而非“组合的”。“关联”意味着更弱的耦合，仅通过网络端口与这些依赖的服务交互，而不是进程间通信。

“关联”模式像人与手机的关系，“组合”模式像人与人的大脑、四肢的关系。因此，“关联”模式还有一个好处，它会强迫我们去思考：如果依赖的服务宕机了怎么办？

就像很多人会有备用手机一样，大量的容错、降级处理的逻辑被写出来了，应用服务也获得了更强的鲁棒性。

反模式的例子：把缓存服务和应用服务打包到同一个容器镜像，通过/var/redis.sock这样的Domain Socket形式访问；或者把第二方应用服务的源码直接复制到自己的代码中，在一个进程中互相调用。

无状态的服务进程 - Processes

Execute the app as one or more stateless processes

按照上一节说的，把依赖的服务分离出去，一些应用服务已经可以实现“无状态”了。但有时候，还需要对应用内部做一些改造才能实现无状态。无状态是水平扩展的前提，对于Serverless应用更是必要条件。

反模式的例子：应用服务的多个实例之间互相通信，共享一些内存数据；或者开发自治的集群选主、任务分发等功能。

自带端口绑定 - Port Binding

Export services via port binding

不要依赖运行平台提供端口绑定的功能，提供出去的可运行程序，直接运行就会绑定到某个端口。比如Springboot应用通常内嵌tomcat/undertow/jetty等Java Web容器，构建出的包直接运行就绑定了端口。

**反模式的例子：**提供出去部署的包的是 放到Tomcat的war、放到IIS的dll，自己本身没有描述通信协议，也没有指定绑定的端口，完全依赖Tomcat/IIS的配置。

通过进程的水平扩展增大并发能力 - Concurrency

Scale out via the process model

无状态的应用服务，很容易实现水平扩展，自身不会制约到并发能力。传统应用服务通常是性能靠提升单机配置，可用性靠双机热备；而云原生应用，注重的是伸缩能力（Elastic, Scalable）。

反模式的例子：把Session放到内存中。

易处置：快速启动和优雅退出 - Disposability

Maximize robustness with fast startup and graceful shutdown

因为云原生应用需要保持更优秀的可伸缩性，服务的部署实例随时可能被创建出来、或者被销毁掉，这就要求服务自身提供快速启动和优雅退出能力。

不具有快速启动能力，水平扩容的速度受限；不具备优雅退出能力，缩容时未处理完的业务中断，会导致用户请求错误、数据不一致性等问题。

**反模式的例子：**很重的Java服务启动耗时十几分钟；缩容靠kill -9强杀进程；服务也没有实现收到SIGTERM信号进入“跛脚鸭状态”，也没有等待请求处理完再关闭进程。

日志作为事件流 - Logs

Treat logs as event streams

应用服务不应该管日志怎么处理，日志如何处理是平台的职责，而非应用自身的业务。因此，应用服务只要把日志作为事件流抛出去就好了，容器环境中，最好的办法就是直接打印到标准输出和标准错误（stdout, stderr）。

**反模式的例子：**项目中写了一堆log4xx的复杂配置，日志文件存哪个路径、多长时间轮滚、保留多久删除。传统的软件这是必备的，但云原生应用，请仅保留打印到标准输出/标准错误。还有一个反模式的例子，在应用内就通过代码把日志抛到Kafka这类Broker中，无形中也让应用服务和Kafka耦合到了一起。

很多人不相信日志打印到stdout/stderr就完事了，是因为不够了解云原生世界中，各类日志收集和处理组件的强大。我们对传统的做法习以为常，却忘记了“单一职责原则”。

分离管理类任务 - Admin Processes

Run admin/management tasks as one-off processes

什么是管理类任务（Admin Processes）？直译成“管理进程”感觉不太对，这里是Admin Processes指的是执行数据库DDL、周期执行的运维任务、一次性的数据迁移和修复等等这类事情，更贴切的说法是“后台管理任务”。

反模式的例子：在应用服务运行环境中安装一个数据库客户端，运维人员手动跑一堆修改数据库的SQL；或者安装一些运维脚本，放到机器的cron table定期执行一些脚本。

这一条“要素”看似晦涩难懂，看反例就很清楚了。例子中的做法是传统模式经常干的事情，但这种模式显然不“Scalable”，用自动化流水线和统一的任务调度平台，而不是手动SSH到机器上靠人做。《Beyond the Twelve-Factor App》中传达了更激进的观念：压根不要出现这类一次性的（“One-Off”）任务，这类业务也视为后端服务，调度中心仅触发一个HTTP/RPC请求，调用服务的接口做这类业务。

举个正例帮助理解：如果要实现每天跑一次的数据分析脚本，除了到机器上加crontab这个最坏的办法，还有什么其他办法呢？

《Twelve-Factor App》告诉我们，可以用一次性的容器，每天创建一个容器执行脚本，确认执行成功后随即销毁，不成功可以自动重试，比如Kuernetes提供的CronJob机制。

《Beyond the Twelve-Factor App》告诉我们，可以在应用内或单独做一个服务，提供一个HTTP接口做这件事，调度平台每天触发的是HTTP调用，根据调用返回结果决定重试。彻底去除Admin Processes，所有的东西都是可伸缩的Backing Service。

第三类

“12要素”是“云原生应用”的必要条件，但并不能构成充分条件。

Kevin Hoffman在2016年写的《Beyond the Twelve-Factor App》一书中，又重新修订了“12要素”，修改了一些描述，另外添加了API First、Telemetry、Authentication & Authorization三个要素。前两个对微服务系统非常重要，第三个则是安全性的核心保障机制。

API First：以API为中心的协作模式，永远先定义好API再做其他事情。微服务系统的开发模式，大多是多个小团队齐头并进，设计好之后，先定义API就非常重要了。以API作为团队、应用服务之间沟通的桥梁。

Telemetry：翻译成“遥测”有些别扭，属于可观测性（Observability）的一部分，上面说过的日志也属于可观测性的一部分。对于云原生系统，要杜绝传统的“SSH进去运行Debug工具”的事情发生，“遥测”是实现这一点的唯一手段。监控、告警、链路追踪，在微服务系统中缺一不可。

Authentication & Authorization：认证和授权，属于安全性的要素，对传统的应用服务也适合。但云原生应用实现认证和授权的方式有所不同：对终端用户的认证授权往往在网关层就通过OAuth 2.0/OpenID Connect等协议统一处理了；对服务之间调用的认证授权通过Service Mesh可以做到零信任安全模式。

这三个Kevin Hoffman新增的“要素”，本文篇幅有限就不展开了，有兴趣可以读原著了解细节。

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