軟件架構(gòu)模式
本文是我在閱讀O'Reilly免費的電子書?Software Architecture Patterns過程中做的筆記。
首先這本書非常新，2015年3月30號訂正后發(fā)布。其次將目前流行的幾種架構(gòu)詳細進行了剖析和比較，除了傳統(tǒng)的N層架構(gòu)外，其它架構(gòu)相當?shù)那把?。并且，這篇小書連帶封面才55頁，短小精悍，值得一讀。這本書的作者是 Mark Richards，有30多年行業(yè)經(jīng)驗，19年軟件集成，企業(yè)級架構(gòu)的經(jīng)驗，大部分是Java平臺，也出版了多本書和論文。
如果你沒有時間去閱讀這本書，那么不妨看一下本篇文章。 我在筆記中將書中的主要知識點都記錄下來。
不先進行正式的架構(gòu)設(shè)計就直接開發(fā)對于程序員來說再普通不過了。沒有清晰和很好的架構(gòu)設(shè)計，大部分程序員和架構(gòu)師實際上會采用傳統(tǒng)的分層的架構(gòu)模式， 自然地將代碼模塊分隔成幾個包(package)。不幸地是，這種做法經(jīng)常導(dǎo)致未能好好組織代碼模塊，這些模塊缺乏清晰的角色，責任以及相互關(guān)系。這經(jīng)常被成為大泥球反模式。
沒有進行架構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用程序通常是緊耦合的，玻璃心，難以改變，沒有頭緒。如果不理解應(yīng)用的各個組件的內(nèi)部工作方式的話很難看清它的架構(gòu)特征。關(guān)于部署和維護的問題都很難回答：架構(gòu)的規(guī)模如何？程序的性能如何？程序容易修改嗎？程序的部署模型是怎么樣？程序的響應(yīng)如何？
架構(gòu)模式可以幫助你定義程序的基本特征和行為。例如一些架構(gòu)模式很自然讓程序成為大規(guī)模(scalable)的程序。有些模式讓程序變得靈巧敏捷(agile)。知道這些架構(gòu)的特征，優(yōu)點和缺點，你就可以根據(jù)你特定的業(yè)務(wù)需求和目標從容的選擇一種架構(gòu)模式。
作為一位架構(gòu)師，你總會為自己架構(gòu)選擇做解釋，尤其你選擇一個特別的架構(gòu)模式的時候。O'Reilly的這本書提供了充足的信息來為你的架構(gòu)選擇提供證明。
分層架構(gòu) (Layered Architecture)它是最通用的架構(gòu)，也被叫做N層架構(gòu)模式(n-tier architecture pattern)。這也是Java EE應(yīng)用經(jīng)常采用的標準模式?；旧鲜莻€程序員都知道它。這種架構(gòu)模式非常適合傳統(tǒng)的IT通信和組織結(jié)構(gòu)，很自然地成為大部分應(yīng)用的第一架構(gòu)選擇。
模式描述在分層架構(gòu)中的組件被劃分成幾個層，每個層代表應(yīng)用的一個功能。分層架構(gòu)本身沒有規(guī)定要分成多少層，大部分的應(yīng)用會分成表現(xiàn)層，業(yè)務(wù)層，持久層和數(shù)據(jù)庫層。小的應(yīng)用有時候會將業(yè)務(wù)層和持久層合在一起，更大規(guī)模的應(yīng)用可能會劃分更多的層，比如調(diào)用外部服務(wù)的層。
每一層都有特定的角色和職能。
分層架構(gòu)的一個特性就是關(guān)注分離(separation of concerns)。在層中的組件只負責本層的邏輯。組件的劃分很容易讓它們實現(xiàn)自己的角色和職責，也比較容易地開發(fā)，測試管理和維護。
關(guān)鍵概念注意每一層都是封閉的。這意味著Request必須經(jīng)過每一層才能到達最底下一層。
為什么不允許展示層直接訪問數(shù)據(jù)庫層呢，這樣不是更快嗎？這就是分層架構(gòu)的另一個特征：層隔離(layers of isolation)。
層隔離的概念意味著你對任何一層的改變都不會影響其它層。這很好理解。
層隔離也意味著一個層的組件并不會了解其它層的實現(xiàn)，或者知道很少。 比如業(yè)務(wù)層不需知道你持久層是由hibernate還是mybatis實現(xiàn)的。
分層架構(gòu)也很容易增加新的層。 比如你想將一些通用的服務(wù)重構(gòu)成一個服務(wù)層，比如通用圖片處理，遠程賬戶審計等，可以在業(yè)務(wù)層下增加一個服務(wù)層。它不會對展示層造成影響，也不會改變持久層的代碼。
上面的這個例子帶來一個問題，因為每一層丟失封閉的，業(yè)務(wù)層不得不通過服務(wù)層訪問持久層，這沒有天理啊。 所以有時候你會創(chuàng)建一個開放的層。這意味著上一層可以繞過這一層直接訪問下一層。
我們看一下淘寶前幾年的架構(gòu)的例子。
這是一個標準的分層的架構(gòu)。每一層中又可以詳細的分成更細的層，比如服務(wù)層。
圍著著這個主架構(gòu)還有一些外圍的產(chǎn)品。比如監(jiān)控和審計。
分層架構(gòu)是一個可靠的通用的架構(gòu)，對很多應(yīng)用來說，如果你不確定哪種架構(gòu)適合你的應(yīng)用，可以用它作為一個初始架構(gòu)。
第一個要注意的是污水池反模式(architecture sinkhole anti-pattern).這個反模式是這樣的，請求流簡單的穿過幾個層，每層里面基本沒有做任何業(yè)務(wù)邏輯，或者做了很少的業(yè)務(wù)邏輯。比如一些JavaEE例子，業(yè)務(wù)邏輯層只是簡單的調(diào)用了持久層的接口，本身沒有什么業(yè)務(wù)邏輯。
每一層或多或少都有可能遇到這樣的場景。關(guān)鍵是分析這樣的請求的百分比是多少。80-20原則可以幫助你決定是否正在遇到污水池反模式。如果你的請求超過20%，你應(yīng)該考慮讓一些層變成開放的。
另一個需要考慮的是分層架構(gòu)可能會讓你的應(yīng)用變得龐大，即使你的展示層和業(yè)務(wù)層可以獨立發(fā)布（比如展示層使用單頁技術(shù)框架AngularJS, EmberJS）。
它的確會帶來一些潛在的問題，比如分布模式復(fù)雜，健壯性下降，可靠性，性能和規(guī)模等。
總體靈活性： 低
發(fā)布易用性： 低
可測試性： 高
性能： 低
規(guī)模擴展性： 低
開發(fā)容易度： 高
事件驅(qū)動架構(gòu)是一個流行的分布式異步架構(gòu)模式，可以用來設(shè)計規(guī)模很大的應(yīng)用程序?；谶@種架構(gòu)模式應(yīng)用可大可小。它由高度解耦的，單一目的的事件處理組件組成，可以異步地接收和處理事件。
它包括兩個主要的拓撲結(jié)構(gòu)：mediator 和 broker。Mediator拓撲結(jié)構(gòu)需要你在一個事件通過mediator時精心安排好幾個步驟，而broker拓撲結(jié)構(gòu)無需mediator，而是由你串聯(lián)起幾個事件。這兩種拓撲架構(gòu)的特征和實現(xiàn)有很大的不同，所以你需要知道哪一個適合你。
Mediator拓撲結(jié)構(gòu)適合有多個步驟的事件，需要安排處理層次。
例如購買一只股票，首先會校驗這個交易，校驗股票交易是否符合各種規(guī)定，將它交給一個經(jīng)紀人，計算傭金，最后確認交易。所有這些都安排好各個步驟的順序，決定它們是否串行還是并行。
它包括四個組件：event queues, an event mediator, event channels 和 event processors。
事件流是這樣開始的： 客戶端發(fā)送一個事件到事件隊列(event queues)中，它用來將事件傳送給event mediator。Event mediator收到初始的事件后，會發(fā)送額外的一些異步事件給event channels來執(zhí)行處理的每個步驟。Event processors監(jiān)聽event channels,接收事件并處理一些業(yè)務(wù)邏輯。
在事件驅(qū)動架構(gòu)中有十幾個甚至幾百個事件隊列都很正常。模式本身沒有限定事件隊列的實現(xiàn)方式。它可能是一個消息隊列，一個web service或者其它。
這里有兩種事件：初始事件和處理事件。Mediator會將初始事件編排成處理事件。它沒有具體的業(yè)務(wù)邏輯，只是一個協(xié)調(diào)者，負責將初始事件轉(zhuǎn)化成一個或者多個處理事件。
event channels 既可以是消息隊列，也可以是消息topic，大部分是消息topic，這樣可以由多個消息處理器(event processor)處理同一個消息。
消息處理器包含實際的業(yè)務(wù)邏輯。每個消息處理器都是自包含的，獨立的，高度解耦的，執(zhí)行單一的任務(wù)。
這種模式可能有一些變種。作為架構(gòu)師，你應(yīng)該理解每個實現(xiàn)的細節(jié)，確保這種解決方案適合你的需求。
有一些開源的框架實現(xiàn)了這種架構(gòu)，如Spring Integration, Apache Camel, 或者 Mule ESB。
Broker不同于上面的結(jié)構(gòu)，它沒有中心的Mediator。所有的事件串聯(lián)起來通過一個輕量級的消息broker如RabbitMQ，ActiveMQ，HornetQ等。如果你的消息比較簡單，不需要重新編排，就可以使用這種結(jié)構(gòu)。
如圖所示，它包含兩個組件broker和 event processor。
broker中的event channel可以是消息隊列，消息topic或者它們的復(fù)合形式。
每個event processor負責處理事件，發(fā)布新的事件。
在新浪微博的早期架構(gòu)中，微博發(fā)布使用同步推模式，用戶發(fā)表微博后系統(tǒng)會立即將這條微博插入到數(shù)據(jù)庫所有粉絲的訂閱列表中，當用戶量比較大時，特別是明星用戶發(fā)布微博時，會引起大量的數(shù)據(jù)庫寫操作，超出數(shù)據(jù)庫負載，系統(tǒng)性能急劇下降，用戶響應(yīng)延遲加劇。后來新浪微博改用異步推拉結(jié)合的模式，用戶發(fā)表微博后系統(tǒng)將微博寫入消息隊列后立即返回，用戶響應(yīng)迅速，消息隊列消費者任務(wù)將微博推送給所有當前在線粉絲的訂閱列表中，非在線用戶登錄后再根據(jù)關(guān)注列表拉取微博訂閱列表。
事件驅(qū)動架構(gòu)模式實現(xiàn)起來相對復(fù)雜，主要是由于它的異步和分布式特性。這可能會帶來一些分布式的問題，比如遠程處理的可用性，缺乏響應(yīng)，broker重連等問題。
一個考慮是這種模式對于單一的邏輯缺乏原子事務(wù)。所以你需要將原子事務(wù)交給一個事件處理器執(zhí)行，跨事件處理器的原子事務(wù)是很困難的。
最困難的設(shè)計之一是事件處理器的創(chuàng)建，維護和管理。事件通常有特殊的約定（數(shù)據(jù)值和格式）。
總體靈活性： 高
發(fā)布易用性： 高
可測試性： 低
性能： 高
規(guī)模擴展性： 高
開發(fā)容易度： 低
微內(nèi)核架構(gòu)模式通常又被成為插件架構(gòu)模式，可以用來實現(xiàn)基于產(chǎn)品的應(yīng)用, 比如Eclipse，在微內(nèi)核的基礎(chǔ)上添加一些插件，就可以提供不同的產(chǎn)品，如C++, Java等。
模式描述微內(nèi)核包含兩個組件： core system 和 plug-in modules。應(yīng)用邏輯被分隔成核心系統(tǒng)和插件模塊，可以提供可擴展的，靈活的，特性隔離的功能。
Eclipse IDE是當之無愧的微內(nèi)核的絕佳例子之一。
架構(gòu)考量微內(nèi)核的架構(gòu)模式可以嵌入到其它的架構(gòu)模式之中。微內(nèi)核架構(gòu)通過插件還可以提供逐步演化的功能和增量開發(fā)。所以如果你要開發(fā)基于產(chǎn)品的應(yīng)用，微內(nèi)核是不二選擇。
模式分析總體靈活性： 高
發(fā)布易用性： 高
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開發(fā)容易度： 低
作為單一整體的程序和面向服務(wù)架構(gòu)的替代者， 微服務(wù)架構(gòu)模式在工業(yè)界很快贏得了地位。這種模式還在進化之中，在業(yè)界對于它的特性和實現(xiàn)還有些困惑。Oreilly的小書提供了這種模式關(guān)鍵的概念和基礎(chǔ)知識，用來判斷這種架構(gòu)是否適合你的應(yīng)用。
模式描述不管你使用何種實現(xiàn)風(fēng)格和拓撲，有幾個通用的核心概念應(yīng)用在這種架構(gòu)模式上。首先是分隔發(fā)布單元（separately deployed units）。
如圖所示，每一個微內(nèi)核的組件都被分隔成一個獨立的單元。
微服務(wù)包含服務(wù)組件（service component）。不要考慮微內(nèi)核的單個服務(wù)，而是最好考慮服務(wù)組件，從粒度上講它可以是單一的模塊或者一個一個大的應(yīng)用程序，代表單一功能（提供天氣預(yù)報或者圖片存儲）。
正確設(shè)計服務(wù)組件的粒度是一個很大的挑戰(zhàn)。
另一個關(guān)鍵概念是微內(nèi)核是分布式的。這意味著服務(wù)組件可能是遠程方法（通過JMS, AMQP, REST, SOAP, RMI......等等）。分布式意味著這種模式可以建立大規(guī)模的應(yīng)用。
另一個值得興奮的特性是它可以從其它有問題的架構(gòu)模式中演化出來，而不是直接創(chuàng)建出來等待問題發(fā)生。當你遇到一些無法解決的問題，特別是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的規(guī)模擴大時，是很好的引入微服務(wù)架構(gòu)的時機。
一般會從兩個模式中演化。
一種就是一開始就是整體的應(yīng)用，所有的模塊都是緊耦合的。另外一種是面向服務(wù)的架構(gòu)模式(SOA，service-oriented architecture pattern)。SOA不是不好，但是太昂貴了，不好理解和實現(xiàn)。
有很多實現(xiàn)微服務(wù)的方式。最通用最流行的三個方式是: API REST-based, applicaiton REST-based 和 中心化的消息。
API REST-based 適合網(wǎng)站提供小規(guī)模的，自包含的服務(wù)。很多互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站都提供這樣的服務(wù)，比如OAuth2服務(wù)。
application REST-based不同于上面的架構(gòu)，客戶端看到的是web界面或者富客戶端程序，而不是調(diào)用API。UI層獨立發(fā)布，可以訪問服務(wù)組件。
中心消息模式，它類似前面的模式，但是使用一個輕量級的消息broker取代RESTful的服務(wù)調(diào)用。這個輕量級的broker不會執(zhí)行服務(wù)的編排，傳輸和路由，這和SOA不同，不要把它看作SOA的簡化版。
微服務(wù)架構(gòu)解決了無架構(gòu)的整體編碼的應(yīng)用的問題以及SOA的問題。同時它還可以提供實時的產(chǎn)品發(fā)布。
它是一個分布式架構(gòu)，也會有上面分布式的問題。
總體靈活性： 高
發(fā)布易用性： 高
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性能： 低
規(guī)模擴展性： 高
開發(fā)容易度： 高
基于空間的架構(gòu)有時候也被成為基于云的架構(gòu)。
大部分的基于web的應(yīng)用的業(yè)務(wù)流都是一樣的。 客戶端的請求發(fā)送給web服務(wù)器，然后是應(yīng)用服務(wù)器，最后是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。對于用戶很小時不會有問題，但是負載增大時就會遇到瓶頸（想想搶火車票）。首先是web服務(wù)器撐不住，web服務(wù)器能撐住應(yīng)用服務(wù)器又不行，然后是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。通常解決方案是增加web服務(wù)器，便宜，簡單，但很多情況下負載會傳遞給應(yīng)用服務(wù)器，然后傳遞給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。有時候增加數(shù)據(jù)庫服務(wù)器也沒有辦法，因為數(shù)據(jù)庫也有鎖，有事務(wù)的限制。
基于空間的架構(gòu)用來解決規(guī)模和并發(fā)的問題。
基于空間的架構(gòu)最小化限制應(yīng)用規(guī)模的影響。這個模式來自于tuple space， 分布式共享內(nèi)存想法。要想大規(guī)模，就要移除中心數(shù)據(jù)庫的限制，使用可復(fù)制的內(nèi)存網(wǎng)格。應(yīng)用數(shù)據(jù)保存在所有活動的處理單元的內(nèi)存中，處理單元根據(jù)應(yīng)用規(guī)?？梢约尤牒鸵瞥?。因為沒有中心數(shù)據(jù)庫，所以數(shù)據(jù)庫的瓶頸可以解決。
這種模式有兩個組件：處理單元processing unit 和 虛擬化中間件virtualized middleware。
處理單元包含應(yīng)用程序。小的應(yīng)用程序可以使用一個處理單元，大的應(yīng)用程序可以被分隔成幾個處理單元。處理單元還包括數(shù)據(jù)網(wǎng)格。
虛擬化中間件負責管理和通信。處理數(shù)據(jù)的同步和請求。
基于空間的架構(gòu)是一個復(fù)雜而昂貴的模式。對于小型的負載可變的web應(yīng)用很適合，但是對于大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用不是太適合。
模式分析總體靈活性： 高
發(fā)布易用性： 高
可測試性： 低
性能： 高
規(guī)模擴展性： 高
開發(fā)容易度： 低
模式分析比較
原文鏈接：http://colobu.com/2015/04/08/software-architecture-patterns/
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