.NET Core实战项目之CMS 第九章 设计篇-白话架构设计

前面两篇文章给大家介绍了我们实战的CMS系统的数据库设计,源码也已经上传到服务器上了。今天我们就好聊聊架构设计,在开始之前先给大家分享一下这几天我一直在听的《从零开始学架构》里面关于架构设计的定义以及架构设计的三大原则,希望能对大家有所启发。有着这些基础之后,我们再基于此搭建我们的项目框架吧!如果你在阅读的过程中有任何的问题,欢迎大家在留言区进行留言,或者加入.NET Core实战项目群637326624跟大伙一起交流经验。

本文已收录至《.NET Core实战项目之CMS 第一章 入门篇-开篇及总体规划

作者:依乐祝

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写在前面

程序员的成长绕不开架构设计,有时架构设计就像鸿沟一样挡在程序的晋升之路上,只要跨过去就可以海阔天空,但不少技术能力很强的程序员却依然不能完全掌握架构设计,包括我自己在内,在实践过程中经常把握不住重点、分不清主次;或者说没有彻底掌握架构设计的原则,在设计上举棋不定。本文是我在观看了李运华老师从零开始学架构后的一些看法,文章最后会给出如何查看原作的方法。文章大部分内容也都是摘录自李运华的文章,当然,中间穿插了很多自己的认识在里面。目的就是给大家分享一下架构方面的知识,希望本篇的内容分享能对你有所启发!

架构的定义

对于技术人员来说,“架构”是一个再常见不过的词了。我们会对新员工培训整个系统的架构,参加架构设计评审,学习业界开源系统(例如,MySQL、Hadoop)的架构,研究大公司的架构实现(例如,微信架构、淘宝架构)……虽然“架构”这个词常见,但如果深究一下“架构”到底指什么呢?相信大部分人也许并不一定能够准确地回答。例如:

  • 架构和框架是什么关系?有什么区别?
  • Windows有架构,SQL Server 有架构,.NET Core也有架构,使用 .NET Core开发、SQL Server 存储、跑在 Windows 上的业务系统也有架构,那么我们应该关注哪个架构呢?
  • 微信有架构,微信的登录系统也有架构,微信的支付系统也有架构,当我们谈微信架构时,到底是在谈什么架构?

要想准确地回答这几个问题,关键在于梳理几个有关系而又相似的概念,包括:系统与子系统、模块与组件、框架与架构。

系统与子系统

我们先来看维基百科定义的“系统”。

系统泛指由一群有关联的个体组成,根据某种规则运作,能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。它的意思是“总体”“整体”或“联盟”。

关键内容提炼:

  1. 关联:系统是由一群有关联的个体组成的,没有关联的个体堆在一起不能成为一个系统。例如,把一个发动机和一台 PC 放在一起不能称之为一个系统,把发动机、底盘、轮胎、车架组合起来才能成为一台汽车。
  2. 规则:系统内的个体需要按照指定的规则运作,而不是单个个体各自为政。规则规定了系统内个体分工和协作的方式。例如,汽车发动机负责产生动力,然后通过变速器和传动轴,将动力输出到车轮上,从而驱动汽车前进。
  3. 能力:系统能力与个体能力有本质的差别,系统能力不是个体能力之和,而是产生了新的能力。例如,汽车能够载重前进,而发动机、变速器、传动轴、车轮本身都不具备这样的能力。

维基百科定义的“子系统”

子系统也是由一群有关联的个体所组成的系统,多半会是更大系统中的一部分。

其实子系统的定义和系统定义是一样的,只是观察的角度有差异,一个系统可能是另外一个更大系统的子系统。

按照这个定义,系统和子系统比较容易理解。我们以微信为例来做一个分析。

  1. 微信本身是一个系统,包含聊天、登录、支付、朋友圈等子系统。
  2. 朋友圈这个系统又包括动态、评论、点赞等子系统。
  3. 评论这个系统可能又包括防刷子系统、审核子系统、发布子系统、存储子系统。
  4. 评论审核子系统不再包含业务意义上的子系统,而是包括各个模块或者组件,这些模块或者组件本身也是另外一个维度上的系统。例如,MySQL、Redis 等是存储系统,但不是业务子系统。

模块与组件

模块和组件两个概念在实际工作中很容易混淆,我们经常能够听到类似这样的说法:

  • MySQL 模块主要负责存储数据,而 ElasticSearch模块主要负责数据搜索。
  • 我们有安全加密组件、有审核组件
  • App 的下载模块使用了第三方的组件

造成这种现象的主要原因是,模块与组件的定义并不好理解,也不能很好地进行区分。

两者在维基百科上的定义:

软件模块(Module)是一套一致而互相有紧密关连的软件组织。它分别包含了程序和数据结构两部分。现代软件开发往往利用模块作为合成的单位。模块的接口表达了由该模块提供的功能和调用它时所需的元素。模块是可能分开被编写的单位。这使它们可再用和允许人员同时协作、编写及研究不同的模块。
软件组件定义为自包含的、可编程的、可重用的、与语言无关的软件单元,软件组件可以很容易被用于组装应用程序中。

从逻辑的角度来拆分系统后,得到的单元就是“模块”;从物理的角度来拆分系统后,得到的单元就是“组件”。划分模块的主要目的是职责分离;划分组件的主要目的是单元复用。其实,“组件”的英文 component 也可翻译成中文的“零件”一词,“零件”更容易理解一些,“零件”是一个物理的概念,并且具备“独立且可替换”的特点。

框架与架构

框架是和架构比较相似的概念,且两者有较强的关联关系,所以在实际工作中,这两个概念有时我们容易分不清楚。

框架与架构的区别:

软件框架(Software Framework)通常指的是为了实现某个业界标准或完成特定基本任务的软件组件规范,也指为了实现某个软件组件规范时,提供规范所要求之基础功能的软件产品。

关键部分提炼:

  1. 框架是组件规范:例如,MVC 就是一种最常见的开发规范
  2. 框架提供基础功能的产品:例如,WebApi 是 MVC 的开发框架,除了满足 MVC 的规范,.NET Core WebApi 提供了很多基础功能来帮助我们实现功能,包括Http请求,过滤器([HttpGet])等很多基础功能。

软件架构指软件系统的“基础结构”,创造这些基础结构的准则,以及对这些结构的描述。

单纯从定义的角度来看,框架和架构的区别还是比较明显的,框架关注的是“规范”,架构关注的是“结构”。框架的英文是 Framework[ˈfreɪmwɜ:rk],架构的英文是 Architecture[ˈɑ:rkɪtektʃə(r)]。EF 的英文文档标题就是“Entity framework”。

重新定义架构

参考维基百科的定义,架构重新定义为:软件架构指软件系统的顶层结构。

首先,“系统是一群关联个体组成”,这些“个体”可以是“子系统”“模块”“组件”等;架构需要明确系统包含哪些“个体”。

其次,系统中的个体需要“根据某种规则”运作,架构需要明确个体运作和协作的规则。

第三,维基百科定义的架构用到了“基础结构”这个说法,我改为“顶层结构”,可以更好地区分系统和子系统,避免将系统架构和子系统架构混淆在一起导致架构层次混乱。

总结提炼上述概念

  • 架构是顶层设计;
  • 框架是面向编程或配置的半成品;
  • 组件是从技术维度上的复用;
  • 模块是从业务维度上职责的划分;
  • 系统是相互协同可运行的实体。

架构设计三原则

合适原则、简单原则、演化原则,架构设计时遵循这几个原则,有助于做出最好的选择。

合适原则

合适原则宣言:“合适优于业界领先”。

优秀的技术人员都有很强的技术情结,当他们做方案或者架构时,总想不断地挑战自己,想达到甚至优于业界领先水平是其中一个典型表现,因为这样才能够展现自己的优秀,才能在年终 KPI 绩效总结里面骄傲地写上“设计了 XX 方案,达到了和 Google 相同的技术水平”“XX 方案的性能测试结果大大优于阿里集团的 YY 方案”。
但现实是,大部分这样想和这样做的架构,最后可能都以失败告终!
为什么会这样呢?

再好的梦想,也需要脚踏实地实现!这里的“脚踏实地”主要体现在下面几个方面。

  1. 将军难打无兵之仗

大公司的分工比较细,一个小系统可能就是一个小组负责,比如说某个通信大厂,做一个 OM 管理系统就有十几个人,阿里的中间件团队有几十个人,而大部分公司,整个研发团队可能就 100 多人,某个业务团队可能就十几个人。十几个人的团队,想做几十个人的团队的事情,而且还要做得更好,不能说绝对不可能,但难度是可想而知的。

没那么多人,却想干那么多活,是失败的第一个主要原因。

  1. 罗马不是一天建成的

业界领先的很多方案,其实并不是一堆天才某个时期灵机一动,然后加班加点就做出来的,而是经过几年时间的发展才逐步完善和初具规模的。阿里中间件团队 2008 年成立,发展到现在已经有十年了。我们只知道他们抗住了多少次“双 11”,做了多少优秀的系统,但经历了什么样的挑战、踩了什么样的坑,只有他们自己知道!这些挑战和踩坑,都是架构设计非常关键的促进因素,单纯靠拍脑袋或者头脑风暴,是不可能和真正实战相比的。

没有那么多积累,却想一步登天,是失败的第二个主要原因。

  1. 冰山下面才是关键

可能有人认为,业界领先的方案都是天才创造出来的,所以自己也要造一个业界领先的方案,以此来证明自己也是天才。确实有这样的天才,但更多的时候,业界领先的方案其实都是“逼”出来的!简单来说,“业务”发展到一定阶段,量变导致了质变,出现了新的问题,已有的方式已经不能应对这些问题,需要用一种新的方案来解决,通过创新和尝试,才有了业界领先的方案。GFS 为何在 Google 诞生,而不是在 Microsoft 诞生?我认为 Google 有那么庞大的数据是一个主要的因素,而不是因为 Google 的工程师比 Microsoft 的工程师更加聪明。

没有那么卓越的业务场景,却幻想灵光一闪成为天才,是失败的第三个主要原因。

所以,真正优秀的架构都是在企业当前人力、条件、业务等各种约束下设计出来的,能够合理地将资源整合在一起并发挥出最大功效,并且能够快速落地。这也是很多 BAT 出来的架构师到了小公司或者创业团队反而做不出成绩的原因,因为没有了大公司的平台、资源、积累,只是生搬硬套大公司的做法,失败的概率非常高。

简单原则

简单原则宣言:“简单优于复杂”。

软件架构设计是一门技术活。所谓技术活,从历史上看,无论是瑞士的钟表,还是瓦特的蒸汽机;无论是莱特兄弟发明的飞机,还是摩托罗拉发明的手机,无一不是越来越精细、越来越复杂。因此当我们进行架构设计时,会自然而然地想把架构做精美、做复杂,这样才能体现我们的技术实力,也才能够将架构做成一件艺术品。

由于软件架构和建筑架构表面上的相似性,我们也会潜意识地将对建筑的审美观点移植到软件架构上面。我们惊叹于长城的宏伟、泰姬陵的精美、悉尼歌剧院的艺术感、迪拜帆船酒店的豪华感,因此,对于我们自己亲手打造的软件架构,我们也希望它宏伟、精美、艺术、豪华……总之就是不能寒酸、不能简单。

团队的压力有时也会有意无意地促进我们走向复杂的方向,因为大部分人在评价一个方案水平高低的时候,复杂性是其中一个重要的参考指标。例如设计一个主备方案,如果你用心跳来实现,可能大家都认为这太简单了。但如果你引入 ZooKeeper 来做主备决策,可能很多人会认为这个方案更加“高大上”一些,毕竟 ZooKeeper 使用的是 ZAB 协议,而 ZAB 协议本身就很复杂。其实,真正理解 ZAB 协议的人很少(我也不懂),但并不妨碍我们都知道 ZAB 协议很优秀。

刚才我聊的这些原因,会在潜意识层面促使初出茅庐的架构师,不自觉地追求架构的复杂性。然而,“复杂”在制造领域代表先进,在建筑领域代表领先,但在软件领域,却恰恰相反,代表的是“问题”。

软件领域的复杂性体现在两个方面:

  1. 结构的复杂性

结构复杂的系统几乎毫无例外具备两个特点:

  • 组成复杂系统的组件数量更多;
  • 同时这些组件之间的关系也更加复杂。

结构上的复杂性存在的第一个问题是,组件越多,就越有可能其中某个组件出现故障,从而导致系统故障。这个概率可以算出来,假设组件的故障率是 10%(有 10% 的时间不可用),那么有 3 个组件的系统可用性是(1-10%)×(1-10%)×(1-10%)= 72.9%,有 5 个组件的系统可用性是(1-10%)×(1-10%)×(1-10%)×(1-10%)×(1-10%)=59%,两者的可用性相差 13%。

结构上的复杂性存在的第二个问题是,某个组件改动,会影响关联的所有组件,这些被影响的组件同样会继续递归影响更多的组件。这个问题会影响整个系统的开发效率,因为一旦变更涉及外部系统,需要协调各方统一进行方案评估、资源协调、上线配合。

结构上的复杂性存在的第三个问题是,定位一个复杂系统中的问题总是比简单系统更加困难。首先是组件多,每个组件都有嫌疑,因此要逐一排查;其次组件间的关系复杂,有可能表现故障的组件并不是真正问题的根源。

  1. 逻辑的复杂性

意识到结构的复杂性后,我们的第一反应可能就是“降低组件数量”,毕竟组件数量越少,系统结构越简。最简单的结构当然就是整个系统只有一个组件,即系统本身,所有的功能和逻辑都在这一个组件中实现。

不幸的是,这样做是行不通的,原因在于除了结构的复杂性,还有逻辑的复杂性,即如果某个组件的逻辑太复杂,一样会带来各种问题。

逻辑复杂的组件,一个典型特征就是单个组件承担了太多的功能。以电商业务为例,常见的功能有:商品管理、商品搜索、商品展示、订单管理、用户管理、支付、发货、客服……把这些功能全部在一个组件中实现,就是典型的逻辑复杂性。

逻辑复杂几乎会导致软件工程的每个环节都有问题,假设现在淘宝将这些功能全部在单一的组件中实现,可以想象一下这个恐怖的场景:

  • 系统会很庞大,可能是上百万、上千万的代码规模,“clone”一次代码要 30 分钟。
  • 几十、上百人维护这一套代码,某个“菜鸟”不小心改了一行代码,导致整站崩溃。
  • 需求像雪片般飞来,为了应对,开几十个代码分支,然后各种分支合并、各种分支覆盖。
  • 产品、研发、测试、项目管理不停地开会讨论版本计划,协调资源,解决冲突。
  • 版本太多,每天都要上线几十个版本,系统每隔 1 个小时重启一次。
  • 线上运行出现故障,几十个人扑上去定位和处理,一间小黑屋都装不下所有人,整个办公区闹翻天。
  • ……

不用多说,肯定谁都无法忍受这样的场景。

但是,为什么复杂的电路就意味更强大的功能,而复杂的架构却有很多问题呢?根本原因在于电路一旦设计好后进入生产,就不会再变,复杂性只是在设计时带来影响;而一个软件系统在投入使用后,后续还有源源不断的需求要实现,因此要不断地修改系统,复杂性在整个系统生命周期中都有很大影响。

功能复杂的组件,另外一个典型特征就是采用了复杂的算法。复杂算法导致的问题主要是难以理解,进而导致难以实现、难以修改,并且出了问题难以快速解决。

以 ZooKeeper 为例,ZooKeeper 本身的功能主要就是选举,为了实现分布式下的选举,采用了 ZAB 协议,所以 ZooKeeper 功能虽然相对简单,但系统实现却比较复杂。相比之下,etcd 就要简单一些,因为 etcd 采用的是 Raft 算法,相比 ZAB 协议,Raft 算法更加容易理解,更加容易实现。

综合前面的分析,我们可以看到,无论是结构的复杂性,还是逻辑的复杂性,都会存在各种问题,所以架构设计时如果简单的方案和复杂的方案都可以满足需求,最好选择简单的方案。《UNIX 编程艺术》总结的 KISS(Keep It Simple, Stupid!)原则一样适应于架构设计。

演化原则

演化原则宣言:“演化优于一步到位”。

软件架构从字面意思理解和建筑结构非常类似,事实上“架构”这个词就是建筑领域的专业名词,维基百科对“软件架构”的定义中有一段话描述了这种相似性:

从和目的、主题、材料和结构的联系上来说,软件架构可以和建筑物的架构相比拟。

例如,软件架构描述的是一个软件系统的结构,包括各个模块,以及这些模块的关系;建筑架构描述的是一幢建筑的结构,包括各个部件,以及这些部件如何有机地组成成一幢完美的建筑。

然而,字面意思上的相似性却掩盖了一个本质上的差异:建筑一旦完成(甚至一旦开建)就不可再变,而软件却需要根据业务的发展不断地变化!

  • 古埃及的吉萨大金字塔,4000 多年前完成的,到现在还是当初的架构。
  • 中国的明长城,600 多年前完成的,现在保存下来的长城还是当年的结构。
  • 美国白宫,1800 年建成,200 年来进行了几次扩展,但整体结构并无变化,只是在旁边的空地扩建或者改造内部的布局。

对于建筑来说,永恒是主题;而对于软件来说,变化才是主题。软件架构需要根据业务的发展而不断变化。设计 Windows 和 Android 的人都是顶尖的天才,即便如此,他们也不可能在 1985 年设计出 Windows 8,不可能在 2009 年设计出 Android 6.0。

如果没有把握“软件架构需要根据业务发展不断变化”这个本质,在做架构设计的时候就很容易陷入一个误区:试图一步到位设计一个软件架构,期望不管业务如何变化,架构都稳如磐石。

为了实现这样的目标,要么照搬业界大公司公开发表的方案;要么投入庞大的资源和时间来做各种各样的预测、分析、设计。无论哪种做法,后果都很明显:投入巨大,落地遥遥无期。更让人沮丧的是,就算跌跌撞撞拼死拼活终于落地,却发现很多预测和分析都是不靠谱的。

考虑到软件架构需要根据业务发展不断变化这个本质特点,软件架构设计其实更加类似于大自然“设计”一个生物,通过演化让生物适应环境,逐步变得更加强大:

  • 首先,生物要适应当时的环境。
  • 其次,生物需要不断地繁殖,将有利的基因传递下去,将不利的基因剔除或者修复。
  • 第三,当环境变化时,生物要能够快速改变以适应环境变化;如果生物无法调整就被自然淘汰;新的生物会保留一部分原来被淘汰生物的基因。

软件架构设计同样是类似的过程:

  • 首先,设计出来的架构要满足当时的业务需要。
  • 其次,架构要不断地在实际应用过程中迭代,保留优秀的设计,修复有缺陷的设计,改正错误的设计,去掉无用的设计,使得架构逐渐完善。
  • 第三,当业务发生变化时,架构要扩展、重构,甚至重写;代码也许会重写,但有价值的经验、教训、逻辑、设计等(类似生物体内的基因)却可以在新架构中延续。

架构师在进行架构设计时需要牢记这个原则,时刻提醒自己不要贪大求全,或者盲目照搬大公司的做法。应该认真分析当前业务的特点,明确业务面临的主要问题,设计合理的架构,快速落地以满足业务需要,然后在运行过程中不断完善架构,不断随着业务演化架构。

即使是大公司的团队,在设计一个新系统的架构时,也需要遵循演化的原则,而不应该认为团队人员多、资源多,不管什么系统上来就要一步到位,因为业务的发展和变化是很快的,不管多牛的团队,也不可能完美预测所有的业务发展和变化路径。

本节总结

架构即决策。架构需要面向业务需求,并在各种资源(人、财、物、时、事)约束条件下去做权衡、取舍。而决策就会存在不确定性。采用一些高屋建瓴的设计原则有助于去消除不确定,去逼近解决问题的最优解。

1 合适原则

架构无优劣,但存合适性。“汝之蜜糖,吾之砒霜”;架构一定要匹配企业所在的业务阶段;不要面向简历去设计架构,高大上的架构不等于适用;削足适履与打肿充胖都不符合合适原则;所谓合适,一定要匹配业务所处阶段,能够合理地将资源整合在一起并发挥出最大功效,并能够快速落地。

2 简单原则

"我没有时间写一封短信,所以只好写一封长信"。其实,简单比复杂更加困难。面对系统结构、业务逻辑和复杂性,我们可以编写出复杂的系统,但在软件领域,复杂代表的是“问题”。架构设计时如果简单的方案和复杂的方案都可以满足需求,最好选择简单的方案。但是,事实上,当软件系统变得太复杂后,就会有人换一个思路进行重构、升级,将它重新变得简单,这也是软件开发的大趋势。 简单原则是一个朴素且伟大的原则,Google的MapReduce系统就采用了分而治之的思想,而背后就是将复杂问题转化为简单问题的典型案例。

3 演化原则

大到人类社会、自然生物,小到一个细胞,似乎都遵循这一普世原则,软件架构也不例外。业务在发展、技术在创新、外部环境在变化,这一切都是在告诫架构师不要贪大求全,或者盲目照搬大公司的做法。应该认真分析当前业务的特点,明确业务面临的主要问题,设计合理的架构,快速落地以满足业务需要,然后在运行过程中不断完善架构,不断随着业务演化架构。怀胎需要十月,早一月或晚一月都很危险。

总结

今天我带着大家记录一下李运华老师从零开始学架构的关于架构的概念以及架构的三个原则,希望对您有所启发!如果你想学习更多关于架构方面的知识也可以订阅李老师的课程,文章最后我会给出微信二维码!好了,下篇我们就基于这些思想设计最适合我们实际的.NET Core CMS系统的开发框架吧!
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posted @ 2018-12-06 22:43 依乐祝 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏