架构
设计恰如其分的架构
Thoughtworks的Sam Newman在Mythoughtworks的Software Development小组中给出了Evolutionary Architecture的一些资源。其中一个是Martin Fowler与Rebecca Parsons在QCon SF 2009的一次演讲，题目为Agilists and Architects: Allies not Adversaries Presentation。演讲主要谈到了在敏捷方法中的架构活动（在Martin Fowler的演讲中，播放了黑客帝国中的一个片段，很有意思）。另一个资源则是同样作为thoughtworker的Neal Ford在IBM developerWorks发表的Evelutionary Architecture and Emergent Design(演进架构与紧急设计)系列。这是很棒的一个讲解演进架构的系列文章，谈到了TDD、代码复用、连贯接口、DSL、重构、惯用法模式、指标等与演进架构和紧急设计有关的内容。
事实上，关于演进式架构已经是老调重弹。Martin Fowler在2004年发表的文章Is Design Dead中谈到了计划式设计与演进式设计之间的区别。在我的书《软件设计精要与模式》第一章中，也简单阐述了我对二者的理解。书中给出了一个建筑学的隐喻：拙政园与周庄。拙政园是计划式设计的典范，没有详尽的计划，也许就不会有疏朗典雅的拙政园。周庄却并非某人在某一时刻灵感捕捉后的设计成果，而是经历了数百年的历史沧桑，渐进地增添与更替各种建筑，最后形成现在这般灵秀的水乡风貌。在书中，我写道：
演进的设计，同样需要遵循架构设计的基本准则，它与计划的设计唯一的区别是设计的目标。演进的设计提倡满足客户现有的需求；而计划的设计则需要考虑未来的功能扩展。演进的设计推崇尽快地实现，追求快速确定解决方案，快速编码以及快速实现；而计划的设计则需要考虑计划的周密性，架构的完整性并保证开发过程的有条不紊。
最近正在阅读George Fairbanks的著作Just Enough Software Architecture，书中除了计划式设计和演进式设计之外，还提到了第三种设计：Minimal planned design（最小计划设计），这算是一种中庸之道的选择。书中认为，演进式设计需要与一些敏捷实践配合，包括重构、测试驱动设计与持续集成（evolutionary design must be paired with supporting practices like refactoring, test-driven design, and continuous integration.）George认为计划式设计背后隐藏的思想是在构造开始之前，制订的计划可以设计出很好的细节（The general idea behind planned design is that plans are worked out in great detail before construction begins）。他还提到：
当架构为并行的多个团队所共享时，计划式架构设计就具有实践意义，在子团队开始工作之前，这种计划式设计颇有效用（Planned architecture design is also practical when an architecture is shared by many teams working in parallel, and therefore useful to know before the sub-teams start working）。
书中还写道：（对于多团队开发而言）计划式架构定义了高层的组件与连接器，并与局部的设计相匹配，而子团队则设计这些组件与连接器的内部模型。架构常常会保证整体的不变量与设计决策，例如建立并发策略、连接器的标准集、分配高层职责或定义某些局部的质量属性场景（a planned architecture that define the top-level components and connectors can be paired with local designs, where sub-teams design the internal models of the components and connectors. The architecture usually insists on some overall invariants and design decisions, such as setting up a concurrency policy, a standard set of connectors, allocating high-level responsibilities, or defining some localized quality attribute scenarios）。
至于最小计划设计，则介乎于演进式设计与计划式设计之间。支持这种设计的人认为：如果完全采取演进式设计，可能会使得设计走向死胡同；而计划式设计又非常难，因为事先对系统并没有全面的了解，可能导致设计错误。在2002年Bill Venners对Martin Fowler的采访中，Martin Fowler认为，最合理的分配是20%的计划式设计，80%的演进式设计（I think 80 percent of the time evolutionary design works for me as well. ）。在George的书中，作者认为需要权衡计划式与演进式设计。一种做法是在项目初期进行计划式设计，确保架构能够处理最大的风险。之后，就可以通过局部的设计来应对需求的变化，或者采用演进式设计，通过推行重构、测试驱动设计与持续集成对架构进行演化。
整体而言，这三种方式的设计各有优劣，我们应根据具体的场景，具体的项目，具体的团队进行针对性地分析。应该把握“因地制宜”的原则，认识到不同的项目需要不同的设计方式。对于不同的开发团队，做出的选择也会不同。例如，如果开发团队精于重构、测试驱动设计，并能很好地实施持续集成，就可以考虑采用演进式设计或最小计划设计。当然，就我个人的意见，比较倾向于Minimal planned design。至于它在演进式设计与计划式设计之前的权衡，不必完全照搬Martin Fowler给出的比例。
在Sam Newman给出的演进式架构资源中，还有一篇coding the architecture的文章Just enough architecture。这篇文章则从方法学的角度分析来如何获得恰如其分的架构。这是文章中非常漂亮的一幅图：
文章以及上图所表达出来的含义是：传统的瀑布式采取事先设计的做法，可以认为是计划式设计；敏捷方法学倾向于演进式设计；处于其中的RUP则更像是前面提到的最小计划设计。文中主要还是关注我们在架构过程中如何做到架构的“just enough”。事实上，这一观点在George Fairbanks的著作Just enough software architecture中被反复提到，要做到这一点，就需要采用风险驱动模型（Risk-Driven Model）。RDM的架构步骤分为三步：
- 识别风险并进行优先级排列
- 选择并应用相关技术
- 评估风险是否降低
其实风险驱动模型的三个步骤很容易理解，关键是我们应该如何识别风险，如何排列优先级，又该如何确定解决或控制风险的技术，并进行合理地评估，这是风险驱动模型的难点。我认为RDM带来的益处在于它给出了一个非常具有实践意义的驱动原则与方法，它告诉架构师，当我们在对系统进行架构时，需要从一开始就要重视风险，例如系统的安全性、可伸缩性、安全等诸多与质量属性有关的技术风险。个人认为：风险驱动加上场景驱动，以及技术约束，就等于敏捷架构。大体如下图所示：
风险驱动主要用于处理质量属性相关的架构内容，而场景驱动则用于处理与功能需求相关的架构内容，而技术约束则是架构层面，可能是产品线、环境等能够对系统架构产生直接影响的约束因素。至于敏捷架构的目标，就是设计恰如其分的架构。
处理遗留系统
处理遗留系统，几乎是每个程序员都不可能绕过的一件麻烦事儿。因为时间压力，技能不足以及功能复杂等诸多原因，常常使得遗留系统的代码变得糟糕混乱，可读性与维护性差，无法保证功能的可测试性，纠缠不清的代码让类、方法之间紧紧耦合在一起。如果遗留系统能够正常工作，那么我们还可以置之不理，即使代码接近腐烂的边缘，我们还可以得过且过。倘若我们需要维护遗留系统，或者需要为它添加新的功能，又或者需要将新的系统与遗留系统进行集成，就必须正视遗留系统带来的问题了。
处理遗留系统，首先需要分析和了解遗留系统，尤其这个遗留系统并非你开发时，更需如此。我们可以考虑双管齐下的办法。一是从业务逻辑方面去了解。相比新系统而言，遗留系统的唯一好处就是它往往是可以运行可以使用的。因此，最好的办法是直接运行遗留系统，通过实际操作了解系统的各个功能点、业务流程。这样的直观感受可以最快地帮助你了解该系统：它能够做什么？它能达成什么目标？它的范围是什么？它存在什么问题？其二则需要从系统架构出发，了解遗留系统的逻辑结构和物理分布。可以阅读架构文档和源代码，如果能够咨询遗留系统的设计者或开发人员，就更好。尽快地描绘出遗留系统的轮廓图，可以帮助你从技术的宏观角度剖析遗留系统的结构与组成。再结合你对该系统业务的理解，快速地掌握遗留系统。如果需要阅读源代码，最好能够从主程序入口开始，找到一些主要的模块，了解其大体的设计方式与编码习惯。由于之前对系统架构已有了解，阅读代码时，不应在一开始就去理解代码实现的细节，而应结合架构文档，比对代码实现是否与文档的描述一致，并充分利用自己的技术与经验，找到阅读代码的终南捷径。例如，如果我们知道该系统采用了MVC架构，就可以很容易地根据Url找到对应的Controller对象，并在该对象中寻找业务功能实现的脉络。又例如我们知道系统采用了SSH框架，而我们又非常熟悉SSH框架，就可以基本忽略系统基础设施的部分，直接了解系统的业务实现。如果是Swing系统，而且在界面中混杂了大量的业务逻辑和界面逻辑，则需要找到系统实现的特点，譬如系统的业务都是通过菜单项进行操作，就可以在界面中找到相关的菜单对象，然后根据这些对象的Action操作，一步一步跟踪。甚至可以利用调试的方法，设置断点，来摸清楚系统的运行机制与执行顺序。
分析遗留系统需要有的放矢，根据目标快速锁定范围。例如，如果我们是因为系统性能出现问题，而要去分析遗留系统，就无需过于关心业务逻辑，而应从性能分析入手。考虑数据库的访问，IO操作，缓存机制，资源的使用等诸多方面。这就需要借助一些经验和技术了，当然也可以考虑使用一些工具，用以诊断性能瓶颈。我们曾经在一个项目中，发现遗留系统的性能问题非常严重。根据分析，我们发现系统对字符串的处理存在问题，大量使用了String类型的对象完成字符的拼接。而在进行数据库查询时，很多代码是直接性地一次将相关表的数据“拉”到内存的集合对象中，然后利用过滤器在集合对象中进行筛选。而在对数据进行更改时，又没有很好地利用业务特性，完成一次提交，导致产生多次数据库访问。在系统的某些公共模块中，重复多次加载了Spring的配置文件。还有某些占用了较大资源的对象，对于系统用户而言应该是同一个对象，但却没有设计为单例。因为我们抱着改善遗留系统性能的目的，所以在分析遗留系统时，就应该事先确定可能导致性能损耗的地方，而不是全方位地去了解整个系统。
在维护遗留系统时，需要根据不同的场景做出不同的决策。简言之，我们需要排定优先级。如果时间紧迫，则解决问题是第一要务。尽快通过出错情况和记录日志辨别出错原因，定位出错代码，并解决之，而不是去考虑设计的优雅，代码的重用。我在一次解决报表显示的问题时，采用的就是这种做法。虽然与错误相关的代码相当丑陋，但由于时间紧迫，解决Bug才是最要紧的，所以我基本上没有去修改或改善既有代码的结构，仅仅解决了问题就结束了对遗留系统的处理。这个问题的处理过程在我的另一篇博客《精益求精，抑或得过且过》中详细论述。是的，我在此时选择了得过且过的做法，主要原因就在于优先级列表中，问题的解决才是最高优先级。在这次处理过程中，我部分地利用了copy & paste的做法，并通过引入新方法的方式来解决bug，而不是直接修改出现问题的方法。这是因为该方法的引用点存在多处，由于遗留系统并没有单元测试的保护，我不能草率地修改，否则可能导致一个bug的修复，结果引入更多无法预测的Bug。
这样的处理方式其实是我不甘心的选择。在时间允许的情况下，我会考虑对相关代码进行一些小的重构，例如提取方法或提取类等。虽然这些重构不能改变遗留系统的本质，但至少可以提高代码的可读性，并能在一定程度下去除代码重复。
这一实例实际引出了单元测试的必要性。如果我们的开发都能够在单元测试的呵护下进行，即使当它随着时间的推移，慢慢变成了丑陋的遗留代码，因为有单元测试的保护，在对它进行手术时，成功的几率却会变得更大。因此，认为编写单元测试是浪费时间的观点，事实上是一种短视的做法。缺乏单元测试，就是一种技术债(technical debt)。现在欠下的，将来总是要还的。我们不能忽略软件的维护成本。事实上，在软件成本中，维护成本所占的比例远远大于开发成本。Kent Beck在《实现模式(Implementation Patterns)》一书中认为：“维护的代价很大，这是因为理解现有代码需要花费时间，而且容易出错。知道了需要修改什么以后，做出改动就变得轻而易举了。掌握现在的代码做了哪些事情是最需要花费人力物力的部分，改动之后，还要进行测试和部署。”
当然，在处理遗留系统时，仍然可以进行单元测试。但它需要的技能更高，付出的精力更多。若要完成对遗留系统的单元测试，首要必须解决的就是依赖。解除依赖是面向对象系统开发中似乎亘古不变的话题。无论你翻阅哪一本面向对象著作，都会提到这个问题。依赖的起源其实在于对象的协作。根据单一职责原则，一个类显然不能承担太多的职责。如果一个系统的所有功能都是一个对象完成的，那么这个对象就成了邪恶的“上帝”对象。它的粒度太大，因此难以重用，不够灵活，细节纠缠，无法维护。这样的设计是我们必须避免的。既然一个类不能承担太多职责，系统要完成客户要求的所有功能，就必须让许多对象互相协作，就像人类社会的人际交往一般，于是，就产生了对象之间的依赖。凡事有利必有弊，这种细粒度的对象协作，虽然保证了对象的重用性、灵活性，却也因为协作带来的依赖，导致对象之间存在一定的耦合度，变得难以替换。由于一个对象依赖另一个对象，就使得我们在单元测试时，无法独立地测试我们的目标对象。
依赖虽然不可避免，但如果能够保证对象之间的良好协作，就能够最大程度保证系统的松耦合。对象协作一般可以分为类协作、接口协作与回调协作（回调协作通常可以看做是接口协作的一种特殊方式，关于这三种协作的特点与方式，我会在以后的文章中谈到）。依赖最弱的是接口协作，这也是我们努力达到的目标，它符合“面向接口设计”的基本原则。同时，也能够保证对象的封装性，通过将实现细节隐藏起来，从而降低对象之间的依赖程度。
知易行难，要对付遗留系统中的依赖问题，通常需要付出百倍的努力。Michael Feathers在其大作《修改代码的艺术(Working Effectively with Legacy Code)》中，给出了很多好的解除遗留代码依赖的实践。例如他提出的接缝类型，隐藏依赖，以及影响结构图。解除依赖需要合理地利用封装与抽象，包括对方法参数的封装与抽象。对于遗留系统而言，Feathers提出的影响结构图尤其有用。当你需要修改某个方法时，影响结构图可以帮助你分析该方法的依赖传播途径，避免因为修改对其他代码造成影响。具体做法可以参考该书。当然，现在有很多IDE工具事实上还支持生成依赖图，它可以在一定程度上帮助你寻找依赖的方向与结构。不过，手工方式的分析尤其是通过手绘影响结构图仍然不可缺少，它更能帮助你深入地理解遗留系统。为遗留系统绘制包图(Package Diagram)同样非常重要，它既能帮助你理解遗留系统的结构，又能为我们找到系统中可能存在的双向依赖和循环依赖，找到分解不合理的包，这就为我们的系统重构奠定了良好的基础。
如果遗留系统非常复杂，以至于无法重构，同时我们又需要在遗留系统的基础上增加新的特性和功能，好的做法就是做好新、旧功能之间的隔离。暂时可以不去考虑遗留系统的原有结构和代码（大多数情况，这些遗留系统其实是可以正常工作的），而只需要为新增的功能做好单元测试，并以好的设计原则与编码规范来要求新功能的实现。同时，我们还可以编写一些自动化的回归测试用例（例如使用Cucumber结合Watir为Web系统编写回归测试），保证新增的功能不会影响到原有系统。如果新增功能的实现需要调用原有系统中的某些类或方法，而这些类和方法却又难以分解，则可以考虑参照原有实现编写新的类或方法，新的类一定要做到合理的封装与抽象，保证它的高内聚与松耦合；也可以在新的类中不去真正实现，而是通过运用Adapter模式来重用旧有的类。
只要不是更改开发平台，通常情况下，我们不会考虑重写遗留系统。如果需要重构遗留系统，就必须采取“分而治之，小步前进”的策略。可以首先选择实现较为容易，或者独立性较好的模块进行重构。将遗留系统逐步提取为一些可重用的模块与类，就可以形成“星星之火，可以燎原”的态势。其中，对于原有类或模块的调用方，由于在重构时可能会更改接口，因此可以考虑引入Facade模式或Adapter模式，或者对接口进行另一层的包装，或者对接口进行适配，使系统慢慢被替换，最后演化为一个结构合理的良好系统。在重构时，甚至可以考虑将一些独立性很好的功能，提取为单独进程下的应用或服务，通过Web Service、Socket或Restful的方式进行调用，既保证了重用，又能够使遗留系统变得更简单，成功瘦身。
我们还需谨记的一点是，虽然模块乃至服务的重构对系统的改造更加重要，但我们却不能忽视代码的质量。小到方法的提取，以及变量的命名都非常重要。也许它不会给系统带来根本的改变，但它却能够改善代码的可阅读性，进而提高系统的可维护性。所谓”聚沙成塔“，无论是系统还是模块，其实都是这些类和方法以及变量组成的。
对遗留系统的处理不可能“一蹴而就”，必须遵循循序渐进的做法，逐步改善。处理遗留系统影响深远，成本也非常高，所以我们也不能因为脑袋一发热，就开始气势汹涌地“提枪上阵”，错将风车当做了魔鬼，结果撞得头破血流。必须对整个遗留系统进行审慎的分析，并结合具体情况考虑这项工程的复杂度、成本与预算，了解团队的重构与设计能力。处理遗留系统的前路漫漫，我们固然需要上下而求索的决心与勇气，却也不能在茫然失措中迷失了前进的方向。遗留系统的处理，必须慎之，慎之，再慎之！
注：本文发表自张逸的网站: 捷道-设计恰如其分的架构