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做软件架构该如何入门? 软件架构存在的意义,4 大软件架构介绍

2022-01-21 08:51:04 阅读 9525次 标签: 开发 作者: yipinweike01

  导语:做软件架构该如何入门? 软件架构存在的意义是什么?4 大软件架构,你们公司用哪种?

  做软件架构该如何入门 

  首先必须明确,架构和开发不是绝缘的

  架构是什么?架构是在充分理解、认识、分析问题的基础之上,在了解各种约束条件的前提下,合理选择搭配已有的资源,最终得出兼顾各方利益的解决方案。在软件行业,我们要认识和分析的问题必然离不开软件开发,能动用的资源也离不开软件开发,所以“架构师不碰代码(和开发)”绝对不是正常现象。

  前段时间我面试了一个开发的小伙子,目前在某知名公司工作,他问了我好几个架构的问题,并且诉说了工作中这些问题给他的困扰。于是我好奇地问他:你们公司没有架构师的吗?答案是:有很多架构师,但平时都见不到他们,只是开会的时候他们来演示PPT。如果公司里的架构师都是这种水平,开发工程师选择离职,就是顺理成章的事情。

  要想学习架构,从仔细理解自己手上的工作开始

  前面说了,架构是要建立在充分理解、认识、分析问题的基础之上,和了解各种约束条件的前提之下的。无论理解、认识、分析问题,还是了解各种约束条件,都是需要持续锻炼才能培养出的能力,而且是必须从小到大、从简单到复杂循序渐进的。

  即便你现在没有做“架构”的工作,也不会有人阻止你分析自己的工作,问自己一系列问题:这些工作分为哪些部分?这些部分之间的关系是怎样的?哪些是互相隔离的,哪些是彼此关联的?谁依赖谁?谁应当先做,谁应当后做?每个部分的重要性是怎样的?为什么定出这样的重要性?某个看似难以理解或者不合理的现象背后的原因和决策链条是怎样的?……

  以前有句话说:螺蛳壳里做道场。有些人拿它来讽刺自不量力,勉为其难。但是从另一个方面看,它也说明如果有心做道场,即便只有个螺蛳壳也是没问题的。

  无论多么复杂多么高级的软件系统,架构都离不开细致的分析,都离不开关心上述问题:系统可以分为哪些部分?这些工作分为哪些部分?这些部分之间的关系是怎样的?哪些是互相隔离的,哪些是彼此关联的?谁依赖谁?谁应当先做,谁应当后做?每个部分的重要性是怎样的?为什么定出这样的重要性?有哪些难以理喻的需求?…… 如果你一开始就培养了这样的分析习惯和能力,以后做架构绝对会省力很多。

  要想做软件架构,得关心数据

  我经常说的一句话是:所有脱离数据来谈架构的,都是扯淡。这不是说笑,这是我的经验。

  我不知道有多少人认真看过《设计模式》,我看《设计模式》时,除了了解哪些模式,印象深刻的一点是书上写明了:每种模式都有其具体适用的问题领域,也有不适用的问题领域。软件架构也是这样,每一种架构都有它适合解决的问题,而数字正是描述这些问题的精确指标。

  如果你正在开发的是Web系统,那么你不应当只把程序写完往服务器一扔就完事,而至少应当清楚一系列数据:它每天要处理多少请求;这些请求来自何处,特点是怎样的;系统每秒钟能处理多少请求,最大的并发量是怎样的,每个请求的处理时间是多少,会有怎样的波动…… 如果这些数据你都了然于胸,再懂一点USE(Utility, Saturation, Error)分析方法,可以说你就已经具备了最基本的架构意识,不但可以找到现在系统的瓶颈,更能够未雨绸缪针对未来制定某些方案了。

  上周我和做了多年开发和架构的朋友聊天,我们有一个共同的观点:真正的架构师,他在设计架构之前,是可以靠计算(压力、计算能力、流量等等指标)做出很多判断的;那种动不动就喊着要“压测”的架构师,其实不是真正的架构师。

  要想做软件架构,应当培养“软件与软件协作”的视角

  从某种意义上讲,软件架构就是“一堆软件系统之间的互相作用”,其中的每个部分,既享受其它软件的服务,又为其它软件提供服务——请注意,这里提到的是“其它软件”,而不是“其它人”。

  然而在如今的计算机教育体系中,大量的人员还是被培养为按照“上帝模式”来开发软件:一切都在我的掌控之中,我动动手指就可以天翻地覆,我要做更改或重构,强大的开发工具分分钟就可以帮我搞定;我自己设定程序的运行规则,世界按照我设定的规则来运转。如果只是开发单机软件,这种心态或许没有问题,但是要做架构师,则万万不能。

  软件系统的各个部分都是软件,没有哪个部分可以制定凌驾一切的规则,所以大家只能商议彼此都能接受的规则:你的输出应当方便我接受,我的输出也应当方便你接受…… 套用一句名言,哪怕你开发的只是一滴水那么简单的功能,它也应当能融入到程序彼此交互的汪洋大海之中。

  而且,在软件系统中的修改和重构是无比麻烦的。一旦你发布了一个接口,就给整个系统添加了一条契约,就很难知道未来会有什么人、在什么情况下来调用,而且你必须持续维护这个接口,再也享受不到本地修改那种掌控一切的便利。这种时候你的每个决策都应当经过审慎的思考,如果“高内聚、低耦合”对于开发人员来说还只是应当“提倡”的设计原则,对于架构师来说就是必须保证的底线,突破这条底线,等着你的就是无数鲜血淋漓的惨案铺就的不归路。

  以上是我总结的关于软件架构设计入门的建议,但总有人问“架构师不应当去专门学习理论和架构吗”,所以这个问题也值得专门回答。在我看来,学习是必须的,但学习的目的必须明确,必须有现实的收益。如果你学习理论和架构,只是给自己增加了一些新鲜感和谈资,却不能帮你静下心来,实打实地分析某个具体的问题,给出靠谱的架构设计,这种学习多半是没有效果的。

  相反,如果你认同并且遵循了上面的几点建议,再通过针对性地学习,加强自己对数据的敏感,深化自己对于“软件协作”的理解,一定会在软件架构的道路上走得更快更稳。

  软件架构存在的意义是什么?

  软件架构存在的意义

  可以说一个好的程序架构,是一个有经验的工程师和一个初学者的分水岭。软件架构对于开发人员是友好的,你希望先执行什么任务后执行什么任务,或者这一个时间点执行什么任务下一个执行什么任务,又或者什么事件会同步到某个任务等等,在不同的软件架构下,解决上述问题的具体方法都是有所区别的。

  软件架构对开发者最大的帮助是:帮助开发者掌控整个工程的框架,当你熟练使用其中某一个程序架构后,对于系统中出现的bug你一定能够快速的定位并解决。

  4 大软件架构,你们公司用哪种?

  一、单体架构

  二、分布式应用

  三、微服务架构

  四、Serverless架构

  如果一个软件开发人员,不了解软件架构的演进,会制约技术的选型和开发人员的生存、晋升空间。这里我列举了目前主要的四种软件架构以及他们的优缺点,希望能够帮助软件开发人员拓展知识面。

  一、单体架构

  单体架构比较初级,典型的三级架构,前端(Web/手机端)+中间业务逻辑层+数据库层。这是一种典型的Java Spring mvc或者Python Drango框架的应用。其架构图如下所示:

  单体架构

  单体架构的应用比较容易部署、测试, 在项目的初期,单体应用可以很好地运行。然而,随着需求的不断增加, 越来越多的人加入开发团队,代码库也在飞速地膨胀。慢慢地,单体应用变得越来越臃肿,可维护性、灵活性逐渐降低,维护成本越来越高。下面是单体架构应用的一些缺点:

  复杂性高 :以一个百万行级别的单体应用为例,整个项目包含的模块非常多、模块的边界模糊、 依赖关系不清晰、 代码质量参差不齐、 混乱地堆砌在一起。可想而知整个项目非常复杂。每次修改代码都心惊胆战, 甚至添加一个简单的功能, 或者修改一个Bug都会带来隐含的缺陷。

  技术债务 :随着时间推移、需求变更和人员更迭,会逐渐形成应用程序的技术债务, 并且越积 越多。“ 不坏不修”, 这在软件开发中非常常见, 在单体应用中这种思想更甚。已使用的系统设计或代码难以被修改,因为应用程序中的其他模块可能会以意料之外的方式使用它。

  部署频率低 :随着代码的增多,构建和部署的时间也会增加。而在单体应用中, 每次功能的变更或缺陷的修复都会导致需要重新部署整个应用。全量部署的方式耗时长、 影响范围大、 风险高, 这使得单体应用项目上线部署的频率较低。而部署频率低又导致两次发布之间会有大量的功能变更和缺陷修复,出错率比较高。

  可靠性差 :某个应用Bug,例如死循环、内存溢出等, 可能会导致整个应用的崩溃。

  扩展能力受限 :单体应用只能作为一个整体进行扩展,无法根据业务模块的需要进行伸缩。例如,应用中有的模块是计算密集型的,它需要强劲的CPU;有的模块则是IO密集型的,需要更大的内存。由于这些模块部署在一起,不得不在硬件的选择上做出妥协。

  阻碍技术创新 :单体应用往往使用统一的技术平台或方案解决所有的问题, 团队中的每个成员 都必须使用相同的开发语言和框架,要想引入新框架或新技术平台会非常困难。

  二、分布式应用

  中级架构,分布式应用,中间层分布式+数据库分布式,是单体架构的并发扩展,将一个大的系统划分为多个业务模块,业务模块分别部署在不同的服务器上,各个业务模块之间通过接口进行数据交互。数据库也大量采用分布式数据库,如redis、ES、solor等。通过LVS/Nginx代理应用,将用户请求均衡的负载到不同的服务器上。其架构图如下所示:

  分布式架构

  该架构相对于单体架构来说,这种架构提供了负载均衡的能力,大大提高了系统负载能力,解决了网站高并发的需求。另外还有以下特点:

  降低了耦合度 :把模块拆分,使用接口通信,降低模块之间的耦合度。

  责任清晰 :把项目拆分成若干个子项目,不同的团队负责不同的子项目。

  扩展方便 :增加功能时只需要再增加一个子项目,调用其他系统的接口就可以。

  部署方便 :可以灵活的进行分布式部署。

  提高代码的复用性 :比如service层,如果不采用分布式rest服务方式架构就会在手机wap商城,微信商城,pc,android,ios每个端都要写一个service层逻辑,开发量大,难以维护一起升级,这时候就可以采用分布式rest服务方式,公用一个service层。

  缺点 : 系统之间的交互要使用远程通信,接口开发增大工作量,但是利大于弊。

  三、微服务架构

  微服务架构,主要是中间层分解,将系统拆分成很多小应用(微服务),微服务可以部署在不同的服务器上,也可以部署在相同的服务器不同的容器上。当应用的故障不会影响到其他应用,单应用的负载也不会影响到其他应用,其代表框架有Spring cloud、Dubbo等。其架构图如下所示:

  微服务架构

  易于开发和维护 :一个微服务只会关注一个特定的业务功能,所以它业务清晰、代码量较少。开发和维护单个微服务相对简单。而整个应用是由若干个微服务构建而成的,所以整个应用也会被维持在一个可控状态。

  单个微服务启动较快 :单个微服务代码量较少, 所以启动会比较快。

  局部修改容易部署 :单体应用只要有修改,就得重新部署整个应用,微服务解决了这样的问题。一般来说,对某个微服务进行修改,只需要重新部署这个服务即可。

  技术栈不受限 :在微服务架构中,可以结合项目业务及团队的特点,合理地选择技术栈。例如某些服务可使用关系型数据库MySQL;某些微服务有图形计算的需求,可以使用Neo4j;甚至可根据需要,部分微服务使用Java开发,部分微服务使用Node.js开发。

  微服务虽然有很多吸引人的地方,但它并不是免费的午餐,使用它是有代价的。使用微服务架构面临的挑战。

  运维要求较高 :更多的服务意味着更多的运维投入。在单体架构中,只需要保证一个应用的正常运行。而在微服务中,需要保证几十甚至几百个服务服务的正常运行与协作,这给运维带来了很大的挑战。

  分布式固有的复杂性 :使用微服务构建的是分布式系统。对于一个分布式系统,系统容错、网络延迟、分布式事务等都会带来巨大的挑战。

  接口调整成本高 :微服务之间通过接口进行通信。如果修改某一个微服务的API,可能所有使用了该接口的微服务都需要做调整。

  重复劳动 :很多服务可能都会使用到相同的功能,而这个功能并没有达到分解为一个微服务的程度,这个时候,可能各个服务都会开发这一功能,从而导致代码重复。尽管可以使用共享库来解决这个问题(例如可以将这个功能封装成公共组件,需要该功能的微服务引用该组件),但共享库在多语言环境下就不一定行得通了。

  四、Serverless架构

  当我们还在容器的浪潮中前行时,已经有一些革命先驱悄然布局另外一个云计算战场:Serverless架构。

  Serverless架构

  2014年11月14日,亚马逊AWS发布了新产品Lambda。当时Lambda被描述为:一种计算服务,根据时间运行用户的代码,无需关心底层的计算资源。从某种意义上来说,Lambda姗姗来迟,它像云计算的PaaS理念:客户只管业务,无需担心存储和计算资源。在此前不久,2014年10月22日,谷歌收购了实时后端数据库创业公司Firebase。Firebase声称开发者只需引用一个API库文件就可以使用标准REST API的各种接口对数据进行读写操作,只需编写HTML+CSS+JavaScrip前端代码,不需要服务器端代码(如需整合,也极其简单)。

  相对于上两者,Facebook 在2014年二月收购的 Parse,则侧重于提供一个通用的后台服务。这些服务被称为Serverless或no sever。想到PaaS(平台即服务)了是吗?很像,用户不需要关心基础设施,只需要关心业务,这是迟到的PaaS,也是更实用的PaaS。这很有可能将会变革整个开发过程和传统的应用生命周期,一旦开发者们习惯了这种全自动的云上资源的创建和分配,或许就再也回不到那些需要微应用配置资源的时代里去了。

  Serverless架构能够让开发者在构建应用的过程中无需关注计算资源的获取和运维,由平台来按需分配计算资源并保证应用执行的SLA(服务等级协议),按照调用次数进行计费,有效的节省应用成本。ServerLess的架构如上图所示。其优点如下所示:

  低运营成本 :在业务突发性极高的场景下,系统为了应对业务高峰,必须构建能够应对峰值需求的系统,这个系统在大部分时间是空闲的,这就导致了严重的资源浪费和成本上升。在微服务架构中,服务需要一直运行,实际上在高负载情况下每个服务都不止一个实例,这样才能完成高可用性;在Serverless架构下,服务将根据用户的调用次数进行计费,按照云计算pay-as-you-go原则,如果没有东西运行,你就不必付款,节省了使用成本。同时,用户能够通过共享网络、硬盘、CPU等计算资源,在业务高峰期通过弹性扩容方式有效的应对业务峰值,在业务波谷期将资源分享给其他用户,有效的节约了成本。

  简化设备运维 :在原有的IT体系中,开发团队即需要维护应用程序,同时还要维护硬件基础设施;Serverless架构中,开发人员面对的将是第三方开发或自定义的API 和URL,底层硬件对于开发人员透明化了,技术团队无需再关注运维工作,能够更加专注于应用系统开发。

  提升可维护性 :Serverless架构中,应用程序将调用多种第三方功能服务,组成最终的应用逻辑。目前,例如登陆鉴权服务,云数据库服务等第三方服务在安全性、可用性、性能方面都进行了大量优化,开发团队直接集成第三方的服务,能够有效的降低开发成本,同时使得应用的运维过程变得更加清晰,有效的提升了应用的可维护性。

  更快的开发速度 :这一点在现在互联网创业公司得到很好的体现,创业公司往往开始由于人员和资金等问题,不可能每个产品线都同时进行,这时候就可以考虑第三方的Baas平台,比如使用微信的用户认证、阿里云提供的RDS,极光的消息推送,第三方支付及地理位置等等,能够很快进行产品开发的速度,把工作重点放在业务实现上,把产品更快的推向市场。

  但ServerLess架构也有其缺点:

  厂商平台绑定 :平台会提供Serverless架构给大玩家,比如AWS Lambda,运行它需要使用AWS指定的服务,比如API网关,DynamoDB,S3等等,一旦你在这些服务上开发一个复杂系统,你会粘牢AWS,以后只好任由他们涨价定价或者下架等操作,个性化需求很难满足,不能进行随意的迁移或者迁移的成本比较大,同时不可避免带来一些损失。Baas行业内一个比较典型的事件,2016年1月19日Facebook关闭曾经花巨额资金收购的Parse,造成用户不得不迁移在这个平台中产生一年多的数据,无疑需要花费比较大的人力和时间成本。

  成功案例比较少,没有行业标准 :目前的情况也只适合简单的应用开发,缺乏大型成功案例的推动。对于Serverless缺乏统一的认知以及相应的标准,无法适应所有的云平台。

  目前微服务架构在四种架构中处于主流地位,很多应用第一、第二种架构的企业也开始慢慢转向微服务架构。到目前为止微服务的技术相对于二三年前已经比较成熟,第四种架构将是未来发展的一种趋势。如果你喜欢我的文章,欢迎关注我的简书,后续我将教会大家利用spring cloud和docker轻松愉快的构建微服务。

Tag: 基础架构

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