架构设计的本质：系统与子系统模块与组件框架与架构

Posted 2021-04-23 21CTO

-     前言     -

在软件研发这个领域，程序员的终极目标都是想成为一名合格的架构师。然而梦想很美好，但现实却很曲折。

在实际工作中，程序员会分很多种，有的擅长编码实现，有的擅长底层原理，有的擅长逻辑实现等等，在各自的领域都表现不俗、担当核心，然而，面临更高层架构设计时，很多优秀的程序员却折戟沙场，未能完成华丽转身。

架构的真谛是什么呢？架构真的如此难把控吗？难道真的只有天资聪慧、天赋异能的程序员才能驾驭架构吗？

不要气馁，平常心，其实人人都是架构师，可能你做的任一一件事已无形中用到了架构。

本篇文章将带您慢慢走进架构，揭秘架构的真谛。正如，架构不是神秘物，吸取真谛即了然。

-     架构的背景     -

如果想要深入理解某一事物的本质，最好的方式就是去追寻这个事物出现的历史背景和推动因素。所以我们先来梳理一下软件开发的进化史，探索一下软件架构出现的历史背景。

1、机器语言

最早的软件开发使用的是“机器语言”，其直接使用二进制码0和1来表示机器可以识别的指令和数据。

比如：为了完成“将寄存器 BX 的内容送到 AX 中”，机器语言如下：

1000100111011000

面对上面的1&0的字符串，不用多说，程序员心里肯定会万马奔腾吧，更别说输入错误要去定位问题，求程序员的心里阴影面积？

归纳一下，机器语言的主要问题是三难：

太难写、太难读、太难改！

2、汇编语言

比如：为了完成“将寄存器 BX 的内容送到 AX 中”，汇编语言如下：

mov ax,bx

相比机器语言来说，汇编语言就清晰得多了。汇编语言虽然解决了机器语言读写复杂的问题，但本质上还是面向机器的，因为写汇编语言需要我们精确了解计算机底层的知识。

面向机器的语言，带来的问题就是：

汇编语言需要针对不同 CPU 的汇编指令和结构，代码编写多份。

3、高级语言

为了解决汇编语言的问题，前辈们又设计出了一个“高级语言”。为什么会叫“高级语言”呢？原因在于这些语言让程序员不需要关注机器底层的低级结构和指令，只需要关注具体的问题和业务即可。

比如：以4+6=?这个加法为例，如果用Lisp语言，只需要简单一行代码：

(+ 4 6)

除此以外，通过编译程序的处理，高级语言可以被编译为适合不同CPU指令的机器语言。程序员只要写一次程序，就可以在不同的机器上编译运行，无须根据不同的机器指令重写整个程序。

4、两次软件危机

第一次软件危机与结构化程序设计

高级语言的出现，解放了程序员，但好景不长，随着软件的规模和复杂度的大大增加，软件质量低下，质量把控难度高，项目无法如期完成，严重超支等现象。例如，1963 年美国的 水手一号火箭发射失败事故，就是因为一行 FORTRAN 代码错误导致的。

所以，为了解决上面的问题，针对性的提出了解决方法“软件工程”，虽然“软件工程”提出之后也曾被视为软件领域的银弹，但后来事实证明，软件工程同样无法根除软件危机，只能在一定程度上缓解软件危机。

差不多同一时间，“结构化程序设计” 作为另外一种解决软件危机的方案被提了出来。结构化程序设计的主要特点是抛弃 goto 语句，采取“自顶向下、逐步细化、模块化”的指导思想。

结构化程序设计本质上还是一种面向过程的设计思想，但通过“自顶向下、逐步细化、模块化”的方法，将软件的复杂度控制在一定范围内，从而从整体上降低了软件开发的复杂度。

第二次软件危机与面向对象

结构化编程的风靡在一定程度上缓解了软件危机，然而随着硬件的快速发展，业务需求越来越复杂，以及编程应用领域越来越广泛，第二次软件危机很快就到来了。

第二次软件危机的根本原因还是 在于软件生产力远远跟不上硬件和业务的发展。

第一次软件危机的根源在于 软件的“逻辑”变得非常复杂；

第二次软件危机主要体现在 软件的“扩展”变的非常复杂。

结构化程序设计虽然能够缓解软件逻辑的复杂性，但是对于业务变化带来的软件扩展却无能为力。软件领域迫切希望找到新的银弹来解决软件危机，在这种背景下，面向对象的思想开始流行起来。

虽然面向对象开始也被当做解决软件危机的银弹，在一定程度上解决了软件“扩展”带来的复杂性。但事实证明，和软件工程、结构化程度设计一样，面向对象也不是银弹，而只是一种新的软件方法而已。

5、软件架构的产生

与之前的各种新方法或者新理念不同的是，“软件架构”出现的背景并不是整个行业都面临类似相同的问题，“软件架构”也不是为了解决新的软件危机而产生的，这是怎么回事呢？

随着软件系统规模的增加，计算相关的算法和数据结构不再构成主要的设计问题。当系统由许多部分组成时，整个系统的组织，也就是所说的“软件架构”，产生了一系列新的设计问题。比如：

1. 系统规模庞大，内部耦合严重，开发效率低；

2. 系统耦合严重，牵一发动全身，后续修改和扩展困难；

3. 系统逻辑复杂，容易出问题，出问题后很难排查和修复；

“软件架构”的出现有其历史必然性。第一次软件危机引出了“结构化编程”，创造了“模块”概念；第二次软件危机引出了“面向对象编程”，创造了“对象”概念；直到“软件架构”的产生，创造了“组件”概念。

“模块”、“对象”和“组件”本质上都是对达到一定规模的软件进行拆分，差别只是在于随着软件的复杂度不断增加，拆分的粒度越来越粗，拆分的层次越来越高。

-     架构指什么     -

对于技术人员来说，“架构”是一个再常见不过的词了。当提起“架构”这个词时，如果去深究一下：“架构”到底指什么？大部分人也许并不一定能够准确地回答。1000个人心中可能有1001种架构的含义。

那么如何才能准确的理解架构呢？理解架构首先理解三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。

1、系统与子系统

关于“系统”的定义，我们先来看维基百科的定义：

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”。

来提炼下里面的关键信息：

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，将动力输出到轮胎上，从而驱动汽车前进。

3. 能力：系统能力和个体能力有本质的差别，系统能力也不是个体能力之和，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。

再来看下子系统的定义：

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。

其实子系统和系统的定义是一样的，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。以微信为例来做一个分析：

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、存储子系统等；

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等存储系统，但不是业务子系统。

2、模块与组件

从逻辑的角度来拆分系统，得到的单元就是“模块”；从物理的角度来拆分系统，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”也可以翻译成中文的“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。

3、框架与架构

单纯从定义的角度来看，框架关注的是“规范”，架构关注的是“结构”。框架的英文是“Framework”，架构的英文是“Architecture”。

我们经常会说，比如：“工程采用的是MVC架构”、“工程使用的是SSH框架”等。所以，第一句话是站在结构的层面来说明，第二句话是站在规范的层面来说明。

同时，如果是以不同的角度来说明结构，会得出不同的架构描述，比如：

从业务逻辑的角度分解，“学生管理系统”的架构：

“学生管理系统”的架构

从物理部署的角度分解，“学生管理系统”的架构：

“学生管理系统”的架构

从开发结构的角度分解，“学生管理系统”的架构：

“学生管理系统”的架构

4、重新定义架构

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。

-     总结     -

架构其实就是为了应对软件系统复杂度而提出的解决方案。架构关键思维即为判断与取舍。

正如，在一个有约束的盒子里去求解或接近最合适的解。这个约束的盒子可能会包含团队经验、成本、资源、时间、业务阶段等因素掺杂在一起的综合体，针对这个综合体，分析出系统架构的复杂度，进行合适的判断与取舍，从而设计出恰当的架构用在合适的软件系统中。

来源：https://www.jianshu.com/p/312af3e8b94a

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