架构分层:我们为什么一定要这么做?

在系统从 0 到 1 的阶段,为了让系统快速上线,我们通常是不考虑分层的。但是随着业务越来越复杂,大量的代码纠缠在一起,会出现逻辑不清晰、各模块相互依赖、代码扩展性差、改动一处就牵一发而动全身等问题。这时,对系统进行分层就会被提上日程,那么我们要如何对架构进行分层?架构分层和高并发架构设计又有什么关系呢?本节课,我将带你寻找答案。什么是分层架构软件架构分层在软件工程中是一种常见的设计方式,它是将整体系统拆分成 N 个层次,每个层次有独立的职责,多个层次协同提供完整的功能。我们在刚刚成为程序员的时候,会被“教育”说系统的设计要是“MVC”(Model-View-Controller)架构。它将整体的系统分成了 Model(模型),View(视图)和 Controller(控制器)三个层次,也就是将用户视图和业务处理隔离开,并且通过控制器连接起来,很好地实现了表现和逻辑的解耦,是一种标准的软件分层架构。
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另外一种常见的分层方式是将整体架构分为表现层、逻辑层和数据访问层:表现层,顾名思义嘛,就是展示数据结果和接受用户指令的,是最靠近用户的一层;逻辑层里面有复杂业务的具体实现;数据访问层则是主要处理和存储之间的交互。这是在架构上最简单的一种分层方式。其实,我们在不经意间已经按照三层架构来做系统分层设计了,比如在构建项目的时候,我们通常会建立三个目录:Web、Service 和 Dao,它们分别对应了表现层、逻辑层还有数据访问层。
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除此之外,如果我们稍加留意,就可以发现很多的分层的例子。比如我们在大学中学到的 OSI 网络模型,它把整个网络分成了七层,自下而上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。工作中经常能用到 TCP/IP 协议,它把网络简化成了四层,即链路层、网络层、传输层和应用层。每一层各司其职又互相帮助,网络层负责端到端的寻址和建立连接,传输层负责端到端的数据传输等,同时相邻两层还会有数据的交互。这样可以隔离关注点,让不同的层专注做不同的事情。
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Linux 文件系统也是分层设计的,从下图你可以清晰地看出文件系统的层次。在文件系统的最上层是虚拟文件系统(VFS),用来屏蔽不同的文件系统之间的差异,提供统一的系统调用接口。虚拟文件系统的下层是 Ext3、Ext4 等各种文件系统,再向下是为了屏蔽不同硬件设备的实现细节,我们抽象出来的单独的一层——通用块设备层,然后就是不同类型的磁盘了。我们可以看到,某些层次负责的是对下层不同实现的抽象,从而对上层屏蔽实现细节。比方说 VFS 对上层(系统调用层)来说提供了统一的调用接口,同时对下层中不同的文件系统规约了实现模型,当新增一种文件系统实现的时候,只需要按照这种模型来设计,就可以无缝插入到 Linux 文件系统中。
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那么,为什么这么多系统一定要做分层的设计呢?答案是分层设计存在一定的优势。分层有什么好处分层的设计可以简化系统设计,让不同的人专注做某一层次的事情。想象一下,如果你要设计一款网络程序却没有分层,该是一件多么痛苦的事情。因为你必须是一个通晓网络的全才,要知道各种网络设备的接口是什么样的,以便可以将数据包发送给它。你还要关注数据传输的细节,并且需要处理类似网络拥塞,数据超时重传这样的复杂问题。当然了,你更需要关注数据如何在网络上安全传输,不会被别人窥探和篡改。而有了分层的设计,你只需要专注设计应用层的程序就可以了,其他都可以交给下面几层来完成。再有,分层之后可以做到很高的复用。比如,我们在设计系统 A 的时候,发现某一层具有一定的通用性,那么我们可以把它抽取独立出来,在设计系统 B 的时候使用起来,这样可以减少研发周期,提升研发的效率。最后一点,分层架构可以让我们更容易做横向扩展。如果系统没有分层,当流量增加时我们需要针对整体系统来做扩展。但是,如果我们按照上面提到的三层架构将系统分层后,就可以针对具体的问题来做细致的扩展。比如说,业务逻辑里面包含有比较复杂的计算,导致 CPU 成为性能的瓶颈,那这样就可以把逻辑层单独抽取出来独立部署,然后只对逻辑层来做扩展,这相比于针对整体系统扩展所付出的代价就要小得多了。这一点也可以解释我们课程开始时提出的问题:架构分层究竟和高并发设计的关系是怎样的?从“01 | 高并发系统:它的通用设计方法是什么?”中我们了解到,横向扩展是高并发系统设计的常用方法之一,既然分层的架构可以为横向扩展提供便捷, 那么支撑高并发的系统一定是分层的系统。如何来做系统分层说了这么多分层的优点,那么当我们要做分层设计的时候,需要考虑哪些关键因素呢?在我看来,最主要的一点就是你需要理清楚每个层次的边界是什么。你也许会问:“如果按照三层架构来分层的话,每一层的边界不是很容易就界定吗?”没错,当业务逻辑简单时,层次之间的边界的确清晰,开发新的功能时也知道哪些代码要往哪儿写。但是当业务逻辑变得越来越复杂时,边界就会变得越来越模糊,给你举个例子。任何一个系统中都有用户系统,最基本的接口是返回用户信息的接口,它调用逻辑层的 GetUser 方法,GetUser 方法又和 User DB 交互获取数据,就像下图左边展示的样子。这时,产品提出一个需求,在 APP 中展示用户信息的时候,如果用户不存在,那么要自动给用户创建一个用户。同时,要做一个 HTML5 的页面,HTML5 页面要保留之前的逻辑,也就是不需要创建用户。这时逻辑层的边界就变得不清晰,表现层也承担了一部分的业务逻辑(将获取用户和创建用户接口编排起来)。
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我来解释一下这个分层架构中的每一层的作用。终端显示层:各端模板渲染并执行显示的层。当前主要是 Velocity 渲染,JS 渲染, JSP 渲染,移动端展示等。开放接口层:将 Service 层方法封装成开放接口,同时进行网关安全控制和流量控制等。Web 层:主要是对访问控制进行转发,各类基本参数校验,或者不复用的业务简单处理等。Service 层:业务逻辑层。Manager 层:通用业务处理层。这一层主要有两个作用,其一,你可以将原先 Service 层的一些通用能力下沉到这一层,比如与缓存和存储交互策略,中间件的接入;其二,你也可以在这一层封装对第三方接口的调用,比如调用支付服务,调用审核服务等。DAO 层:数据访问层,与底层 MySQL、Oracle、HBase 等进行数据交互。外部接口或第三方平台:包括其它部门 RPC 开放接口,基础平台,其它公司的 HTTP 接口。在这个分层架构中主要增加了 Manager 层,它与 Service 层的关系是:Manager 层提供原子的服务接口,Service 层负责依据业务逻辑来编排原子接口。
以上面的例子来说,Manager 层提供创建用户和获取用户信息的接口,而 Service 层负责将这两个接口组装起来。这样就把原先散布在表现层的业务逻辑都统一到了 Service 层,每一层的边界就非常清晰了。除此之外,分层架构需要考虑层次之间一定是相邻层互相依赖,数据的流转也只能在相邻的两层之间流转。我们还是以三层架构为例,数据从表示层进入之后一定要流转到逻辑层,做业务逻辑处理,然后流转到数据访问层来和数据库交互。那么你可能会问:“如果业务逻辑很简单的话可不可以从表示层直接到数据访问层,甚至直接读数据库呢?”其实从功能上是可以的,但是从长远的架构设计考虑,这样会造成层级调用的混乱,比方说如果表示层或者业务层可以直接操作数据库,那么一旦数据库地址发生变更,你就需要在多个层次做更改,这样就失去了分层的意义,并且对于后面的维护或者重构都会是灾难性的。
分层架构的不足任何事物都不可能是尽善尽美的,分层架构虽有优势也会有缺陷,它最主要的一个缺陷就是增加了代码的复杂度。这是显而易见的嘛,明明可以在接收到请求后就可以直接查询数据库获得结果,却偏偏要在中间插入多个层次,并且有可能每个层次只是简单地做数据的传递。有时增加一个小小的需求也需要更改所有层次上的代码,看起来增加了开发的成本,并且从调试上来看也增加了复杂度,原本如果直接访问数据库我只需要调试一个方法,现在我却要调试多个层次的多个方法。另外一个可能的缺陷是,如果我们把每个层次独立部署,层次间通过网络来交互,那么多层的架构在性能上会有损耗。这也是为什么服务化架构性能要比单体架构略差的原因,也就是所谓的“多一跳”问题。
那我们是否要选择分层的架构呢?答案当然是肯定的。你要知道,任何的方案架构都是有优势有缺陷的,天地尚且不全何况我们的架构呢?分层架构固然会增加系统复杂度,也可能会有性能的损耗,但是相比于它能带给我们的好处来说,这些都是可以接受的,或者可以通过其它的方案解决的。我们在做决策的时候切不可以偏概全,因噎废食。课程小结今天我带着你了解了分层架构的优势和不足,以及我们在实际工作中如何来对架构做分层。我想让你了解的是,分层架构是软件设计思想的外在体现,是一种实现方式。我们熟知的一些软件设计原则都在分层架构中有所体现。比方说,单一职责原则规定每个类只有单一的功能,在这里可以引申为每一层拥有单一职责,且层与层之间边界清晰;迪米特法则原意是一个对象应当对其它对象有尽可能少的了解,在分层架构的体现是数据的交互不能跨层,只能在相邻层之间进行;而开闭原则要求软件对扩展开放,对修改关闭。它的含义其实就是将抽象层和实现层分离,抽象层是对实现层共有特征的归纳总结,不可以修改,但是具体的实现是可以无限扩展,随意替换的。
掌握这些设计思想会自然而然地明白分层架构设计的妙处,同时也能帮助我们做出更好的设计方案。

posted @ 2022-09-05 18:07  DATA_MONK  阅读(14)  评论(0编辑  收藏  举报