新知一下
海量新知
6 3 0 1 8 3 5

架构设计(3)--架构模式

架构之家 | 架构师知识系列文章 2020/03/23 13:04

模式的经典定义:每个模式都描述了一个在我们的环境中不断出现的问题,然后描述了该问题的解决方案的核心,通过这种方式,我们可以无数次地重用那些已有的解决方案,无需再重复相同的工作。即模式是在特定环境中解决问题的一种方案 。


什么是架构模式?在维基百科:架构模式是针对特定软件架构场景常见问题的通用、可重用解决方案。架构模式类似于软件设计模式,但范围更广。


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,经过抽象沉淀之后,也就那么几种,O'Reilly 出版过一本免费的小册子《Software Architecture Patterns》, 介绍了五种最常见的软件架构,是非常好的入门读物:


1. 分层架构(比较传统的单体架构)

2. 微服务架构(服务分割:当前比较流行的服务化架构,解决单体架构面临的问题,适合敏捷开发,快速迭代)

3. 微核架构(又称插件架构,开发难度较高,一般用来做工具软件开发,如Eclipse,不太适合分布式业务场景)

4. 事件驱动架构 (一般适用于应用局部场景,用来实现异步解耦)

5. 云架构(现在的说法是云原生架构-Cloud Native,基于Docker、Kubernetes、Service Mesh 云原生架构)


一、分层

分层架构(layered architecture)是最常见的软件架构,也是事实上的标准架构。如果你不知道要用什么架构,那就用它。


分层:对模型中同一抽象层次上的包进行分组的一种特定方式。通过分层,从逻辑上将子系统划分成许多集合,而层间关系的形成要遵循一定的规则。通过分层,可以限制子系统间的依赖关系,使系统以更松散的方式耦合,从而更易于维护。(层是对构架的横向划分,分区是对构架的纵向划分)。

层(layer)这个概念在计算机领域是非常NB的一个概念。计算机领域处处体现层的概念:计算机本身:(系统调用层、设备驱动层、操作系统层、CPU指令集,每个层都负责自己的职责。网络5层模型:(物理层、链路层、网络层、传输层、应用层)。


层到了软件领域也一样好用。为什么呢?我们看看使用层技术有什么好处:

● 你使用层,但是不需要去了解层的实现细节。

● 可以使用另一种技术来改变基础的层,而不会影响上面的层的应用。

● 可以减少不同层之间的依赖。

● 容易制定出层标准。

● 底下的层可以用来建立顶上的层的多项服务。


当然,层也有弱点:

● 层不可能封装所有的功能,一旦有功能变动,势必要波及所有的层。

● 效率降低。


当然,层最难的一个问题还是各个层都有些什么,以及要承担何种责任。最常见的架构模式,将系统在横向维度上切分成几个部分,每个部分单一职责。通过分层:

1、从逻辑上将子系统划分成许多集合,而层间关系的形成要遵循一定的规则。

2、可以限制子系统间的依赖关系,使系统以更松散的方式耦合,从而更易于维护。


这种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。


三层架构:

虽然没有明确约定,软件一定要分成多少层,网站一般分为三个层次:应用层、服务层和数据层,其具体结构如下图所示:

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

通过分层,一个庞大系统切分成不同部分,便于分工合作和维护。

应用层:主要负责具体的业务逻辑处理

服务层:提供可复用的服务

数据层:负责数据的存储和访问

但是,分层架构也有一些挑战:①必须合理规划层次边界和接口;②禁止跨层次的调用及逆向调用。


常见的四层结构:

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

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(business)和持久层(persistence)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。


优点

结构简单,容易理解和开发

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

每一层都可以独立测试,其他层的接口通过模拟解决

缺点

一旦环境变化,需要代码调整或增加功能时,通常比较麻烦和费时

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(因为是单体架构)

软件升级时,可能需要整个服务暂停

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(单体架构,需求调整会贯穿每一层)

二、微服务架构:分割和分布式

微服务架构(microservices architecture)是服务导向架构(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。

1、功能分割:

微服务架构本质就是单体应用进行功能分割,形成分布式部署。

分层是横向逻辑分层,分割是分割是在纵向方面对软件进行切分,将不同的功能和服务分割开来,包装成高内聚低耦合的模块单元,有助于软件开发和维护,还便于不同模块的分布式部署,提高网站的并发处理能力和功能扩展能力。

现在开源的微服务框架比较多,如常用的有Spring Cloud、Dubbo、ServiceComb等等。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

优点

扩展性好,各个服务之间低耦合

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

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

易于测试,可以单独测试每一个服务

缺点

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。

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。

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。

2、分布式部署

分布式应用和服务:应用和服务模块分布式部署,便于业务功能扩展;

分布式静态资源:JS、CSS、LOGO图片等资源独立部署,采用独立域名->动静分离;

分布式数据和存储:传统RDBMS分布式部署和NoSQL产品;

分布式计算:类似Hadoop及其MapReduce分布式计算框架,其特点是移动计算而不是移动数据。


三、插件架构:微核架构

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

内核(core)通常只包含系统运行的最小功能。插件则是互相独立的,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。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

优点

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

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,

可定制性高,适应不同的开发需要

可以渐进式地开发,逐步增加功能

缺点

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

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、事件驱动架构:异步

事件(event)是状态发生变化时,软件发出的通知。

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。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

事件驱动架构(event-driven architecture)核心组件:

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。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

事件驱动典型就是消息队列的生产者消费者模式,两者不存在直接调用,只要保持数据结构不变,彼此功能实现可以随意变化而不互相影响,这对网站扩展新功能非常便利。


业务之间的消息传递不是同步调用,而是将一个业务操作分成多个阶段,每个阶段之间通过共享数据的方式异步执行进行协作。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

优点

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

适用性广,各种类型的项目都可以用

性能较好,因为事件的异步本质,软件不易产生堵塞

事件处理器可以独立地加载和卸载,容易部署


缺点

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

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

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。


五、云架构(云原生-Cloud Native)

云架构(cloud architecture,现在的说法是云原生-Cloud Native)主要解决扩展性和并发的问题,是最容易扩展的架构。

它的高扩展性,主要原因是可以基于云上计算资源弹性伸缩。然后,业务处理能力封装成一个个处理单元(prcessing unit)。访问量增加,就新建处理单元(Docker容器);访问量减少,就关闭处理单元(Docker容器)。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独立分库。

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(类似于微服务架构中的微服务)

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。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

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,就关闭处理单元。

随着Docker、Kubernetes等容器化技术的快速发展,上述关于云架构描述有点陈旧了。当前最新的云原生架构,以Docker+Kubernetes为核心,尤其是容器编排Kubernetes 已经成为事实上的行业标准。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

云原生架构图的主要特征:

微服务应用运行支撑环境;

以容器化应用的镜像作为交付标准;

通过资源调度服务快速申请、释放资源;

通过弹性伸缩快速扩展应用;

状态监控;

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

主要目标:

1. 让开发人员聚焦业务逻辑的实现,其他交给容器云平台来完成;

2. 支持业务系统的快速迭代,支撑业务的快速变化和发展;

3. 构建以共享服务体系为核心的业务中台;

下面是小编针对某新零售企业设计的云原生架构图,以云和微服务架构为基础构建云原生应用,这里云可以是公有云、私有云、混合云等等。

新知达人, 架构设计(3)--架构模式

结束

以上是从不同的视角,对架构进行了分类。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。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(比如自动化发布工具、自动化测试等等)能力的方法来规避,工具工程对软件架构非常重要。

————————————————

出处: https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/78261402


更多“架构模式”相关内容

更多“架构模式”相关内容

新知精选

更多新知精选