不可不知的軟件架構(gòu)模式
什么是系統(tǒng)架構(gòu)(Architecture)
設(shè)計(jì)不僅僅指的是外觀和感覺，它還包括運(yùn)作方式。—— 史蒂夫·喬布斯
系統(tǒng)架構(gòu)（System Architecture），軟件架構(gòu)（Soft Architecture）是 IT 領(lǐng)域常見的名詞，架構(gòu)設(shè)計(jì)是軟件系統(tǒng)構(gòu)建過程中極其關(guān)鍵的一部分。
系統(tǒng)架構(gòu)為什么重要？常見的架構(gòu)模式都有哪些？跟著 【碼哥字節(jié)】了解不同的架構(gòu)設(shè)計(jì)所運(yùn)用的不同設(shè)計(jì)哲學(xué)。
一起來看下常見的架構(gòu)模式：Client-Server、Peer to Peer、MVC、Layered、Distribute-Cluster、Micro-Service、Even-Source、Hexagonal 逐個擊破。
Architecture，原意建筑學(xué)，其實(shí)軟件架構(gòu)的概念就是源于建筑學(xué)。建筑學(xué)是建筑物設(shè)計(jì)和建造相關(guān)的藝術(shù)和技術(shù)的綜合。建筑學(xué)是一門橫跨工程技術(shù)和人文藝術(shù)的學(xué)科。它研究的是建筑物可資使用的空間、可供欣賞的形象，以及圍繞空間、形象如何產(chǎn)生確立、調(diào)整美化等的一系列問題。并且其所研究的對象不僅是建筑物本身，更主要的是研究人們對建筑物的要求及其如何得以滿足，研究建筑物實(shí)體從無到有的產(chǎn)生過程中相應(yīng)的策劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施等。
建筑學(xué)研究建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施。軟件架構(gòu)研究軟件的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施。
在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)業(yè)務(wù)、技術(shù)、組織、靈活性、可擴(kuò)展性以及可維護(hù)性等因素，將應(yīng)用系統(tǒng)劃分成不同的部分，使這些部分之間相互分工、相互協(xié)作，從而完成特定的需求。架構(gòu)貫穿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整個過程，是軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要參考，是軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的藍(lán)圖。軟件系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施依架構(gòu)的設(shè)計(jì)而組織實(shí)施。
系統(tǒng)架構(gòu)為什么重要
我們知道摩爾定律——計(jì)算機(jī)硬件的能力大致每兩年提高一倍的速度發(fā)展。然而軟件開發(fā)的流程卻沒有這樣的提速過程，開發(fā)成本也沒有下降，系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法論和設(shè)計(jì)模式不斷變化，而這個重要的流程依舊沒有一個完全可靠和一勞永逸的解決方案。為什么？軟件開發(fā)過程有什么特別的難題？有下面幾點(diǎn)：
復(fù)雜性（Complexity）
軟件可以說是人類創(chuàng)造的最復(fù)雜的系統(tǒng)類型。軟件的各個模塊之間有各種顯性或隱性的依賴關(guān)系，隨著系統(tǒng)的成長和模塊的增多，這些關(guān)系的數(shù)量往往以幾何級數(shù)的速度增長。而理解運(yùn)用這些復(fù)雜性的人并沒有太多的變化。
不可見性（Invisibility）
軟件工程師能直接看見源代碼，但是源代碼不是軟件本身。并且靜態(tài)的源代碼和運(yùn)行的系統(tǒng)也不一樣，軟件運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性也增加了軟件系統(tǒng)的不可預(yù)測性。軟件系統(tǒng)不能以簡單的方式描述出來，設(shè)計(jì)文檔，描述說明，流程圖，架構(gòu)圖這些也不過是讓復(fù)雜的軟件系統(tǒng)以更易于理解和易于交流的方式展示，卻依舊不能完全描述系統(tǒng)的全貌。
易變性（Changeability）
修改軟件看似很容易，修改軟件比修改硬件容易多了，修改軟件系統(tǒng)也比修改一座巍立建筑物容易的多。所以人們自然地期待軟件系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來的變化。但變化卻是復(fù)雜的，環(huán)境也是復(fù)雜的，這些復(fù)雜的情況往往讓一個易于修改的事情卻變成一件越來越困難的事情。
服從性（Conformity）
軟件系統(tǒng)不能獨(dú)立存在，它總是運(yùn)行在硬件上面，也總是要服從系統(tǒng)中其他組成部分的要求，也要服從用戶的要求、行業(yè)的要求。
軟件系統(tǒng)的以上特性使得系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得尤其重要。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)通過以下方式來解決上面的軟件難題：
抽象
抽象是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要一步。抽象是將復(fù)雜的概念簡單化。在最高層次上，將軟件系統(tǒng)抽象為對象和過程兩個高層次概念。對象可以是系統(tǒng)、組件、接口、類、方法等等不同層次的概念，過程是系統(tǒng)運(yùn)行的方式和流程。抽象使具象的事物概念化，從而確定邊界，易于理解，易于交流。
分解
分解與組合相互作用。分解就是將高層次的抽象概念分解成低層次的抽象概念，就是將實(shí)體分成小的部件或組成部分，在應(yīng)對復(fù)雜度的諸多方式中，”分而治之“是一項(xiàng)基本策略，它把大問題持續(xù)分解成小問題，直到每一個小問題都能夠解決為止。
語言
語言的邊界就是世界的邊界。領(lǐng)域語言、設(shè)計(jì)語言確定系統(tǒng)的
what、how和why。語言使系統(tǒng)顯見于文檔，設(shè)計(jì)圖等等易于理解的層次，也使得系統(tǒng)的易變性被規(guī)范在可預(yù)見和可控制的范圍之中。
幾種架構(gòu)模式
Client-Server
有了互聯(lián)網(wǎng)就有了 client-server 模式。client-server 模式以請求-響應(yīng)方式工作，客戶端發(fā)送請求信息，服務(wù)端接受請求，作出相應(yīng)處理，然后發(fā)回響應(yīng)信息。所有我們訪問的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站都是這種架構(gòu)。在桌面程序流行的時代，互聯(lián)網(wǎng)還沒有當(dāng)前這么發(fā)達(dá)的時代。Client-Server 還只代表 Desktop Client-Server 模式，使用瀏覽器的方式稱之為 B-S 模式，即 Browser-Server 模式。如今 Browser、Desktop Application、Mobile Application、Mobile Web 等統(tǒng)稱為 Client。
因此我們當(dāng)前訪問的大部分網(wǎng)站，如新聞咨詢網(wǎng)站、博客網(wǎng)站等等都屬于這種模式。
Peer to Peer
端對端服務(wù)模式（Peer to Peer，簡稱 P2P），亦稱為“點(diǎn)對點(diǎn)模式”，是指通過互聯(lián)網(wǎng)將個人與個人連接起來，繞開中心平臺而直接提供服務(wù)、完成交易的模式。P2P 的早期含意是計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域中的“對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”，它打破了傳統(tǒng)的 Client/Server(C/S)模式，使得成千上萬臺彼此連接的計(jì)算機(jī)都處于對等地位，網(wǎng)絡(luò)的參與者直接共享他們所擁有的一部分硬件資源（包括處理能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力、打印機(jī)等），這些共享資源通過互聯(lián)網(wǎng)，能被其它對等節(jié)點(diǎn)(Peer)直接訪問而無需經(jīng)過統(tǒng)一的中間體。在該網(wǎng)絡(luò)中的參與者既是資源（服務(wù)或內(nèi)容）提供者（Server），又是資源獲取者（Client）。
P2P 模式流行于文件分享與下載、計(jì)算與存儲、即時通信和協(xié)同共享等領(lǐng)域。
MVC
Model-View-Controller，MVC 架構(gòu)是面向?qū)ο缶幊痰囊淮筮M(jìn)步。服務(wù)將邏輯劃分為三個不同的組建：Model——模型，即數(shù)據(jù)，通常存儲在數(shù)據(jù)庫中，在內(nèi)存中進(jìn)行邏輯操作。View——用戶可見的組建，用于用戶交互和數(shù)據(jù)展示，如 Web GUI。Controller——邏輯操作，連接 Model 和 View 的組件，操作 Model 邏輯和 View 交互展示邏輯。
MVC 模式在客戶端和 H5 前端都比較流行。也一直是 Web 后端流行的架構(gòu)模式，在 Java Web 領(lǐng)域催生的 Struts、Spring MVC 等 Web 后臺框架，讓曾經(jīng)復(fù)雜的 Web 開發(fā)變成一種異常簡單的開發(fā)。
隨著前后端漸漸分離，之前的后臺 MVC 已經(jīng)將 View 完全交于前端，前后端通過相關(guān)協(xié)議通信，完成 View 數(shù)據(jù)的傳輸。
Layered
分層架構(gòu)是運(yùn)用最為廣泛的架構(gòu)模式，幾乎每個軟件系統(tǒng)都需要通過層（Layer）來隔離不同的關(guān)注點(diǎn)（Concern Point），以此應(yīng)對不同需求的變化，使得這種變化可以獨(dú)立進(jìn)行。
單一職責(zé)原則，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)重要的原則。分層架構(gòu)就時時遵循單一職責(zé)原則。不同的層次相互隔離，承擔(dān)不同的職責(zé)。
說起分層架構(gòu)，最讓人熟知的就是經(jīng)典的三層架構(gòu)。經(jīng)典三層架構(gòu)自頂向下由用戶界面層（User Interface Layer）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer）與數(shù)據(jù)訪問層（Data Access Layer）組成。三層架構(gòu)是簡單 Client-Server 架構(gòu)的升級。
三層架構(gòu)的經(jīng)典和流行，以及大量 Web 后臺框架對三層架構(gòu)的靠近，使得 Web 后臺開發(fā)簡單到一個剛剛?cè)腴T的開發(fā)人員就可以進(jìn)行 web 開發(fā)。也正因?yàn)榇?，使得大部?web 開發(fā)人員的思維受限于此，從而成為人人調(diào)侃的 CRUD-Boy。隨著 MIS 系統(tǒng)時代的漸遠(yuǎn)，三層架構(gòu)也開始在一些領(lǐng)域無法成為“銀彈“。
除去經(jīng)典的三層架構(gòu)。在領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)中，Eric Evans 設(shè)計(jì)了一種經(jīng)典的四層架構(gòu)，其在用戶界面層與業(yè)務(wù)邏輯層之間引入了新的一層，即應(yīng)用層（Application Layer）。其余幾層也相應(yīng)的有所調(diào)整。
Distribute-Cluster
之上所提的架構(gòu)都是在單體架構(gòu)之下。單體架構(gòu)和多服務(wù)架構(gòu)是從服務(wù)的部署模式、運(yùn)行模式來考慮。
單體架構(gòu)有如下優(yōu)勢：
易于開發(fā)：借助于開發(fā)框架，單體應(yīng)用的開發(fā)及其簡單，開發(fā)人員也很少需要考慮系統(tǒng)、部署、網(wǎng)絡(luò)等層次的問題。 易于測試：單體應(yīng)用部署在一個進(jìn)程中，環(huán)境簡單。只要服務(wù)啟動就可以測試所有的功能。 易于部署：往往只需要將應(yīng)用打包成一個簡單的包就可。 易于水平擴(kuò)展：只需要將程序包部署多個服務(wù)即可。
單體應(yīng)用的劣勢：
維護(hù)成本增加：隨著需求的增多，單體系統(tǒng)將越來越臃腫，維護(hù)的復(fù)雜性也將越來越大。 持續(xù)交互周期長：一方面維護(hù)困難，另一方面單體應(yīng)用在并行開發(fā)，并行測試上將十分困難，單體應(yīng)用十分不適合快速迭代的敏捷開發(fā)。 擴(kuò)展性差：由于臃腫的系統(tǒng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)擴(kuò)展性變難。系統(tǒng)的升級也需要十分謹(jǐn)慎。 對新人不友好。
分布式系統(tǒng)拆分：
隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，一方面互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用訪問量級大增，數(shù)據(jù)量大增。另一方面，應(yīng)用的迭代速度也不斷變快。單體應(yīng)用的模式已經(jīng)不適合互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。這樣，后臺分布式集群架構(gòu)越來越流行。
Micro-Service
微服務(wù)并沒有一個嚴(yán)格的定義。以下是 Martin Fowler 描述的微服務(wù)：
微服務(wù)架構(gòu)是一種架構(gòu)模式，它提倡將單一應(yīng)用程序劃分成一組小的服務(wù)，服務(wù)之間相互協(xié)調(diào)、相互配合，為用戶提供最終價值。每個服務(wù)運(yùn)行在其獨(dú)立的進(jìn)程中，服務(wù)與服務(wù)間采用輕量級的通信機(jī)制互相溝通（通?；?HTTP 的 RESTful API）。每個服務(wù)都圍繞著具體業(yè)務(wù)進(jìn)行構(gòu)建，并且能夠被獨(dú)立地部署到生產(chǎn)環(huán)境。
微服務(wù)通常具有以下特性：
單一職責(zé)：業(yè)務(wù)獨(dú)立，團(tuán)隊(duì)自主。職責(zé)單一的服務(wù)應(yīng)該具有核心的領(lǐng)域，高內(nèi)聚、低耦合，與其他系統(tǒng)和領(lǐng)域確定明確的邊界。 輕量級通信：通信應(yīng)該簡單，輕量。與語言無關(guān)，與平臺無關(guān)。 獨(dú)立性：獨(dú)立開發(fā)，獨(dú)立測試和獨(dú)立部署。
一切選擇都是權(quán)衡的過程。微服務(wù)解決了單體應(yīng)用的許多問題，自然也會帶來相應(yīng)的問題。分布式和集群的環(huán)境是復(fù)雜的，基于此的微服務(wù)架構(gòu)也將具有相應(yīng)的復(fù)雜度。
隨著微服務(wù)的流行，微服務(wù)的很多問題也被越來越多的框架和服務(wù)解決掉了。我們以 Spring Cloud 技術(shù)棧為例：
SpringBoot：單體服務(wù)，快速創(chuàng)建項(xiàng)目，快速集成各種框架，易于測試，易于部署。 Feign：微服務(wù)獨(dú)立部署，通過相關(guān)協(xié)議通信。Feign 就是一個簡單的申明式通信框架，基于 HTTP restful。 Eureka：獨(dú)立服務(wù)越來越多，服務(wù)實(shí)例也越來越多。服務(wù)治理便是必須的，Eureka 提供高可用的服務(wù)注冊和服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。 Ribbon：Feign 只負(fù)責(zé)通信，Ribbon 提供客戶端負(fù)載均衡，是系統(tǒng)優(yōu)化的部分。 Hystrix：微服務(wù)將帶來服務(wù)間復(fù)雜的依賴關(guān)系，分布式和集群的復(fù)雜度也將帶來許多難以預(yù)料的問題。為防止復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜系統(tǒng)某一點(diǎn)的問題導(dǎo)致整個系統(tǒng)的雪崩狀態(tài)，便有了 Hystrix，Hystrix 是 Spring Cloud 體系中優(yōu)秀的斷路器，可以在系統(tǒng)發(fā)生問題時進(jìn)行服務(wù)降級，防止整體系統(tǒng)崩潰。 Zuul：統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)，統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)是以 Facade 模式，對外提供友好的接口，微服務(wù)化之后，服務(wù)將越來越多，越來越復(fù)雜，為了降低外部系統(tǒng)調(diào)用的復(fù)雜度，統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)就是常用解決方案。 Config：服務(wù)劃分越多，配置將越多，Spring cloud config 提供統(tǒng)一的配置管理。 Sleuth：服務(wù)監(jiān)控和治理。監(jiān)控是復(fù)雜系統(tǒng)必需的基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)感知、問題發(fā)現(xiàn)、性能定位都需要監(jiān)控的加持。
Even-Source
事件溯源是最新流行一種應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)模式。事件源將應(yīng)用程序進(jìn)行的狀態(tài)更改建模為事件的不可變序列或“日志”。事件源不是在現(xiàn)場修改應(yīng)用程序的狀態(tài)，而是將觸發(fā)狀態(tài)更改的事件存儲在不可變的日志中，并將狀態(tài)更改建模為對日志中事件的響應(yīng)。
CQRS 模式通?；录菰茨Ｊ?。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，使用同一數(shù)據(jù)模型查詢和更新數(shù)據(jù)庫。這十分簡單，非常適用于基本的 CRUD 操作。但是，在更復(fù)雜的應(yīng)用程序中，此方法會變得難以操作。例如，在讀取方面，應(yīng)用程序可能執(zhí)行大量不同的查詢，返回具有不同形狀的數(shù)據(jù)傳輸對象 (DTO)。對象映射可能會變得復(fù)雜。在寫入方面，模型可能實(shí)施復(fù)雜驗(yàn)證和業(yè)務(wù)邏輯。結(jié)果，模型執(zhí)行太多操作，過度復(fù)雜。
CQRS（命令查詢的責(zé)任分離 Command Query Responsibility Segregation ）將讀取和寫入操作分成不同的模型，使用 命令 更新數(shù)據(jù)，并使用 查詢 來讀取數(shù)據(jù)。
Hexagonal
?六邊形架構(gòu)又稱“端口和適配器模式”，是 Alistair Cockburn 提出的一種具有對稱性特征的架構(gòu)風(fēng)格。在這種架構(gòu)中，系統(tǒng)通過適配器的方式與外部交互，將應(yīng)用服務(wù)與領(lǐng)域服務(wù)封裝在系統(tǒng)內(nèi)部。
六邊形架構(gòu)由以下三個組件組成：
Ports：又可以分為輸入端和輸出端，是系統(tǒng)與其他系統(tǒng)交互的接口。 Adapters：與其他系統(tǒng)的適配層，一方面防止核心系統(tǒng)和領(lǐng)域被外部影響，即防腐;另一方面方便 api 使用。 Domain：應(yīng)用和模型是程序的核心。
六邊形架構(gòu)的核心理念是：應(yīng)用通過"端口"跟外部進(jìn)行交互。在傳統(tǒng)的分層架構(gòu)中很容易跨越層間的邊界，把業(yè)務(wù)邏輯滲透到其它層中去。六邊形架構(gòu)重要的就是“邊界”和“領(lǐng)域”。六邊形架構(gòu)的初衷是為了解決技術(shù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的解耦合問題，以及技術(shù)與技術(shù)間的解耦合問題，這一架構(gòu)從設(shè)計(jì)模式中來，從業(yè)務(wù)的實(shí)體服務(wù)出發(fā)，將面向接口的設(shè)計(jì)具體化的端口協(xié)議和適配器實(shí)現(xiàn)，服務(wù)自身實(shí)現(xiàn)獨(dú)立性和完備性。
參考：
《系統(tǒng)架構(gòu)——復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)》丹尼爾·塞爾瓦
《構(gòu)建之法——現(xiàn)代工程》鄒欣
《微服務(wù)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)》王磊
《領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)——軟件核心復(fù)雜性應(yīng)對之道》Eric Evans
《實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)》Vaughn Vernon
《Spring Cloud 微服務(wù)實(shí)戰(zhàn)》翟永超
《工程學(xué)——無盡的前沿》歐陽瑩之
《人月神話》Frederick P. Brooks, Jr.
