成小胖學習微服務架構·基礎篇

看到最近“微服務架構”這個概念這麼火，作為一個積極上進的程式猿，成小胖忍不住想要學習學習。而架構師老王（不是隔壁老王）最近剛好在做公司基礎服務的微服務化研究和落地，對此深有研究。

於是成小胖馬上屁顛屁顛的跑過去向老王請教：“王哥，我看微服務架構這麼火，我也想學，您給我講講啥是微服務架構唄？”

老王笑了笑說：“要想知道什麼是微服務架構，你得先知道什麼系統架構設計。”

成小胖的理想是成為一名架構師，平時積累了不少知識，因此對“系統架構設計”這個概念還是很熟悉的，因此他馬上就給出了答案^【1】：

系統架構設計描述了在應用系統的內部，如何根據業務、技術、組織、靈活性、可擴展性以及可維護性等多種因素，將應用系統劃分成不同的部分，並使這些部分彼此之間相互分工、相互協作，從而為用戶提供某種特定的價值的方式。

老王滿意的點點頭，繼續問：“你看最近我在做微服務的研究和落地，你知道為什麼要做這個事情嗎？”

“因為目前的三層架構存在很多弊端，不滿足業務發展的需求了唄。”

“對的，我看你對公司目前的架構也非常熟悉了，你來仔細說說現在的三層架構吧。”

於是成小胖拿了一張A4紙，圖文並茂地給老王講了他對三層架構的理解：

三層架構是指在業務和技術的發展過程中，系統中不同職責的部分被定義在不同的層次，每一層負責的功能更加具體化。三層架構通常包括表示層、業務邏輯層和數據訪問層，層與層之間互相連接、互相協作，構成一個整體，並且層的內部可以被替換成其他可以工作的部分，但對整體的影響不大。

以 Web 應用程式為例，早期是將所有的表示邏輯、業務邏輯和數據訪問邏輯放在一起，這就是一層架構。

後來隨著 java、.NET 等高級語言的發展，提供了越來越方便的數據訪問機制，如 java 的 JDBC 和 .NET 的 ADO.NET。這時數據訪問部分被分離開來，形成了二層架構。

再後來，隨著面向對象設計、企業架構模式等理念的不斷發展，表示邏輯和業務邏輯也被分離開來，形成了現在的三層架構。

三層架構的具體內容如下：

• 表示層： 用戶使用應用程式時，看到的、聽見的、輸入的或者交互的部分。
• 業務邏輯層： 根據用戶輸入的信息，進行邏輯計算或者業務處理的部分。
• 數據訪問層： 關註有效地操作原始數據的部分，如將數據存儲到存儲介質（如資料庫、文件系統）及從存儲介質中讀取數據等。

老王對這個解釋非常滿意，作了進一步的補充：“你看雖然現在程式被分成了三層，但只是邏輯上的分層，並不是物理上的分層。也就是說，對不同層的代碼而言，經過編譯、打包和部署後，所有的代碼最終還是運行在同一個進程中。而這，就是所謂的單塊架構。”

成小胖撓了撓頭：“原來單塊架構是這個意思啊~~”

“嗯。根據你的實際工作經驗，你再總結下單塊架構的優缺點吧。”

平時勤於總結的成小胖很快便列出了單塊架構的優缺點：

 優點：

• 易於開發： 開發方式簡單，IDE 支持好，方便運行和調試。
• 易於測試： 所有功能運行在一個進程中，一旦進程啟動，便可以進行系統測試。
• 易於部署： 只需要將打好的一個軟體包發佈到伺服器即可。
• 易於水平伸縮： 只需要創建一個伺服器節點，配置好運行時環境，再將軟體包發佈到新伺服器節點即可運行程式（當然也需要採取分發策略保證請求能有效地分發到新節點）。

缺點：

• 維護成本大： 當應用程式的功能越來越多、團隊越來越大時，溝通成本、管理成本顯著增加。當出現 bug 時，可能引起 bug 的原因組合越來越多，導致分析、定位和修複的成本增加；並且在對全局功能缺乏深度理解的情況下，容易在修複 bug 時引入新的 bug。
• 持續交付周期長： 構建和部署時間會隨著功能的增多而增加，任何細微的修改都會觸發部署流水線。
• 新人培養周期長： 新成員瞭解背景、熟悉業務和配置環境的時間越來越長。
• 技術選型成本高： 單塊架構傾向於採用統一的技術平臺或方案來解決所有問題，如果後續想引入新的技術或框架，成本和風險都很大。
• 可擴展性差： 隨著功能的增加，垂直擴展的成本將會越來越大；而對於水平擴展而言，因為所有代碼都運行在同一個進程，沒辦法做到針對應用程式的部分功能做獨立的擴展。

老王拍了拍成小胖的肩膀，眼睛眯成了一條縫：“小伙子總結的很不錯！既然你已經對目前的單塊架構的優缺點有了很好的理解，那現在咱們就可以開始來學習微服務架構了。”

老王先從網上搜索“微服務架構”關鍵字，出來這麼一段話：

微服務架構是一種架構模式，它提倡將單一應用程式劃分成一組小的服務，服務之間互相協調、互相配合，為用戶提供最終價值。每個服務運行在其獨立的進程中，服務於服務間採用輕量級的通信機制互相溝通（通常是基於 HTTP 的 RESTful API）。每個服務都圍繞著具體業務進行構建，並且能夠被獨立地部署到生產環境、類生產環境等。另外，應儘量避免統一的、集中式的服務管理機制，對具體的一個服務而言，應根據業務上下文，選擇合適的語言、工具對其進行構建。

成小胖看完了這段話，說：“看著有點暈，雲里霧裡的感覺……”

老王嘿嘿一笑：“莫慌，現在就給你詳細講講微服務架構的特性。” 

1. 單一職責

微服務架構中的每個服務，都是具有業務邏輯的，符合高內聚、低耦合原則以及單一職責原則的單元，不同的服務通過“管道”的方式靈活組合，從而構建出龐大的系統。

2. 輕量級通信

服務之間通過輕量級的通信機制實現互通互聯，而所謂的輕量級，通常指語言無關、平臺無關的交互方式。

對於輕量級通信的格式而言，我們熟悉的 XML 和 JSON，它們是語言無關、平臺無關的；對於通信的協議而言，通常基於 HTTP，能讓服務間的通信變得標準化、無狀態化。目前大家熟悉的 REST（Representational State Transfer）是實現服務間互相協作的輕量級通信機制之一。使用輕量級通信機制，可以讓團隊選擇更適合的語言、工具或者平臺來開發服務本身。

3. 獨立性

每個服務在應用交付過程中，獨立地開發、測試和部署。

在單塊架構中所有功能都在同一個代碼庫，功能的開發不具有獨立性；當不同小組完成多個功能後，需要經過集成和回歸測試，測試過程也不具有獨立性；當測試完成後，應用被構建成一個包，如果某個功能存在 bug，將導致整個部署失敗或者回滾。

在微服務架構中，每個服務都是獨立的業務單元，與其他服務高度解耦，只需要改變當前服務本身，就可以完成獨立的開發、測試和部署。

4. 進程隔離

單塊架構中，整個系統運行在同一個進程中，當應用進行部署時，必須停掉當前正在運行的應用，部署完成後再重啟進程，無法做到獨立部署。

有時候我們會將重覆的代碼抽取出來封裝成組件，在單塊架構中，組件通常的形態叫做共用庫（如 jar 包或者 DLL），但是當程式運行時，所有組件最終也會被載入到同一進程中運行。

在微服務架構中，應用程式由多個服務組成，每個服務都是高度自治的獨立業務實體，可以運行在獨立的進程中，不同的服務能非常容易地部署到不同的主機上。

理論上所有服務可以部署在同一個伺服器節點，但是並不推薦這麼做，因為微服務架構的主旨就是高度自治和高度隔離。

“王哥你真厲害，您這麼一說我的思維清晰了很多！”成小胖激動的幾乎要叫起來。

“我之前瞭解過 SOA，好像跟微服務架構的思想很像啊，您能幫我區分一下嗎？”成小胖追問到。

老王嘿嘿一笑，拿起成小胖手上的A4紙，翻到另外一面畫了個表格：

接著老王又畫了一張圖：

成小胖看了之後說：“您這麼一畫我倒是大概明白了，但是圖裡面的 DevOps 這個概念我不懂誒……”

“這個 DevOps 就說來話長了，有時間你自己先去查查資料瞭解下吧。”

“好的。現在我對微服務架構的概念有了瞭解，您能再深入剖析下它的本質嗎？”

“好，你可仔細聽好了哈！” 

1. 服務作為組件

微服務也可以被認為是一種組件，但是跟傳統組件的區別在於它可以獨立部署，因此它的一個顯著的優勢。另外一個優點是，它在組件與組件之間定義了清晰的、語言無關、平臺無關的規範介面，耦合度低，靈活性非常高。但它的不足之處是，分散式調用嚴重依賴於網路的可靠性和穩定性。

2. 圍繞業務組織團隊

在單塊架構中，企業一般會根據技能劃分團隊，在這種組織架構下，即便是簡單的需求變更都有可能需要跨團隊協作，溝通成本很高。而在微服務架構中，它提倡以業務為核心，按照業務能力來組織團隊，團隊中的成員具有多樣性的技能。

3. 關註產品而非項目

在單塊架構中，應用基本上是基於“項目模式”構建的，即項目啟動時從不同技能資源池中抽取相關資源組成團隊，項目結束後釋放所有資源。這種情況下團隊成員缺乏主人翁意識和產品成就感。

在微服務架構中，提倡採用“產品模式”構建，即更傾向於讓團隊負責整個服務的生命周期，以便提供更優質的服務。

4. 技術多樣性

微服務架構中，提倡針對不同的業務特征選擇合適的技術方案，有針對性的解決具體業務問題，而不是像單塊架構中採用統一的平臺或技術來解決所有問題。

5. 業務數據獨立

微服務架構提供自主管理其相關的業務數據，這樣可以隨著業務的發展提供數據介面集成，而不是以資料庫的方式同其他服務集成。另外，隨著業務的發展，可以方便地選擇更合的工具管理或者遷移業務數據。

6. 基礎設施自動化

在微服務架構的實踐過程中，對持續交付和部署流水線的要求很高，將促進企業不斷尋找更高效的方式完成基礎設施的自動化及 DevOps 運維能力的提升。

聽完成小胖忍不住表達了敬佩之意：“老司機就是老司機，噢說錯了……架構師就是架構師，總結得這麼簡潔又深刻！”

“咳咳，低調低調……”

“聽您講解了這麼多，我覺得微服務架構解決了很多當前三層架構的痛點。不過我覺得沒有任何一項技術或架構是完美的。”

“非常正確。進行微服務架構的落地是存在很多挑戰的。” 

1. 分散式系統的複雜性

微服務架構是基於分散式的系統，而構建分散式系統必然會帶來額外的開銷。

• 性能： 分散式系統是跨進程、跨網路的調用，受網路延遲和帶寬的影響。
• 可靠性： 由於高度依賴於網路狀況，任何一次的遠程調用都有可能失敗，隨著服務的增多還會出現更多的潛在故障點。因此，如何提高系統的可靠性、降低因網路引起的故障率，是系統構建的一大挑戰。
• 非同步： 非同步通信大大增加了功能實現的複雜度，並且伴隨著定位難、調試難等問題。
• 數據一致性： 要保證分散式系統的數據強一致性，成本是非常高的，需要在 C（一致性）A（可用性）P（分區容錯性） 三者之間做出權衡。

2. 運維成本

運維主要包括配置、部署、監控與告警和日誌收集四大方面。微服務架構中，每個服務都需要獨立地配置、部署、監控和收集日誌，成本呈指數級增長。

3. 自動化部署

在微服務架構中，每個服務都獨立部署，交付周期短且頻率高，人工部署已經無法適應業務的快速變化。因此如何有效地構建自動化部署體系，是微服務面臨的另一個挑戰。

4. DevOps 與組織架構

在微服務架構的實施過程中，開發人員和運維人員的角色發生了變化，開發者將承擔起整個服務的生命周期的責任，包括部署和監控；而運維則更傾向於顧問式的角色，儘早考慮服務如何部署。因此，按需調整組織架構、構建全功能的團隊，也是一個不小的挑戰。

5. 服務間的依賴測試

單塊架構中，通常使用集成測試來驗證依賴是否正常。而在微服務架構中，服務數量眾多，每個服務都是獨立的業務單元，服務主要通過介面進行交互，如何保證依賴的正常，是測試面臨的主要挑戰。

6. 服務間的依賴管理

微服務架構中，服務數量眾多，如何清晰有效地展示服務間的依賴關係也是個不小的挑戰。

“微服務的落地需要經過全面的考察和完善的試驗，並不是每個場景都適合使用微服務架構，也不是每個企業都有能力或者精力去面對這些挑戰。”老王最後語重心長的說。

“嗯嗯，每件事都有兩面性，最合適的才是最好的！對了王哥，您已經給我上完理論課了，啥時候帶我實踐下唄？”

“你先好好消化完今天講的這些，下次再說吧……”

“好吧，很期待我們的下一次交流……”

【1】圖片源及內容主要參考《微服務架構與實踐》。