34 | 深入理解微服务架构：银弹 or 焦油坑？

Posted 2021-04-14 IT苍穹榜

微服务是近几年非常火热的架构设计理念，大部分人认为是 Martin Fowler 提出了微服务概念，但事实上微服务概念的历史要早得多，也不是 Martin Fowler 创造出来的，Martin只是将微服务进行了系统的阐述（原文链接：https://martinfowler.com/articles/microservices.html）。不过不能否认 Martin 在推动微服务起到的作用，微服务能火，Martin 功不可没。

什么是微服务架构

那到底什么是微服务架构？有很多种定义方法。我的定义是这这样的：

微服务架构指的是将大型复杂系统按功能或者业务需求垂直切分成更小的子系统，这些子系统以独立部署的子进程存在，它们之间通过轻量级的、跨语言的同步（比如REST，gRPC）或者异步（消息）网络调用进行通信。

下面是基于微服务架构的商业 Web 应用的组件视图：

微服务架构的重要特征：

• 整个应用程序被拆分成相互独立但包含多个内部模块的子进程。

• 与模块化的单体应用（Modular Monoliths）或 SOA 相反，微服务应用程序根据业务范围或领域垂直拆分。

• 微服务边界是外部的，微服务之间通过网络调用（RPC 或消息）相互通信。

• 微服务是独立的进程，它们可以独立部署。

• 它们以轻量级的方式进行通信，不需要任何智能通信通道。

Java语言相关微服务框架

Spring Boot

Spring Boot的设计目的是简化新Spring应用初始搭建以及开发过程，2017年有64.4%的受访者决定使用Spring Boot，可以说是最受欢迎的微服务开发框架。利用Spring Boot开发的便捷度简化分布式系统基础设施的开发，比如像配置中心、注册、负载均衡等方面都可以做到一键启动和一键部署。

Spring Cloud

Spring Cloud是一个系列框架的合计，基于HTTP（s）的RETS服务构建服务体系，Spring Cloud能够帮助架构师构建一整套完整的微服务架构技术生态链。

Dubbo

Dubbo是由阿里巴巴开源的分布式服务化治理框架，通过RPC请求方式访问。Dubbo是在阿里巴巴的电商平台中逐渐探索演进所形成的，经历过复杂业务的高并发挑战，比Spring Cloud的开源时间还要早。目前阿里、京东、当当、携程、去哪等一些企业都在使用Dubbo。

Dropwizard

Dropwizard将Java生态系统中各个问题域里最好的组建集成于一身，能够快速打造一个Rest风格的后台，还可以整合Dropwizard核心以外的项目。国内现在使用Dropwizard还很少，资源也不多，但是与Spring Boot相比，Dropwizard在轻量化上更有优势，同时如果用过Spring，那么基本也会使用Spring Boot。

Akka

Akka是一个用Scala编写的库，可以用在有简化编写容错、高可伸缩性的Java和Scala的Actor模型，使用Akka能够实现微服务集群。

Vert.x/Lagom/ReactiveX/Spring 5

这四种框架主要用于响应式微服务开发，响应式本身和微服务没有关系，更多用于提升性能上，但是可以和微服务相结合，也可以提升性能。

微服务与 SOA 的关系

对于了解过 SOA 的人来说，第一次看到微服务这个概念肯定会有所疑惑：为何有了 SOA还要提微服务呢？等到简单看完微服务的介绍后，可能很多人更困惑了：这不就是 SOA吗？

关于 SOA 和微服务的关系和区别，大概分为下面几个典型的观点。

微服务是 SOA 的实现方式

如下图所示，这种观点认为 SOA 是一种架构理念，而微服务是 SOA 理念的一种具体实现方法。例如，“微服务就是使用 HTTP RESTful 协议来实现 ESB 的 SOA”“使用 SOA 来构建单个系统就是微服务”和“微服务就是更细粒度的 SOA”。

微服务是去掉 ESB 后的 SOA

如下图所示，这种观点认为传统 SOA 架构最广为人诟病的就是庞大、复杂、低效的 ESB，因此将 ESB 去掉，改为轻量级的 HTTP 实现，就是微服务。

微服务是一种和 SOA 相似但本质上不同的架构理念

如下图所示，这种观点认为微服务和 SOA 只是有点类似，但本质上是不同的架构设计理念。相似点在于下图中交叉的地方，就是两者都关注“服务”，都是通过服务的拆分来解决可扩展性问题。本质上不同的地方在于几个核心理念的差异：是否有 ESB、服务的粒度、架构设计的目标等。

以上观点看似都有一定的道理，但都有点差别，到底哪个才是准确的呢？单纯从概念上是难以分辨的，我来对比一下 SOA 和微服务的一些具体做法，再来看看到底哪一种观点更加符合实际情况。

1. 服务粒度

整体上来说，SOA 的服务粒度要粗一些，而微服务的服务粒度要细一些。例如，对一个大型企业来说，“员工管理系统”就是一个 SOA 架构中的服务；而如果采用微服务架构，则“员工管理系统”会被拆分为更多的服务，比如“员工信息管理”“员工考勤管理”“员工假期管理”和“员工福利管理”等更多服务。

2. 服务通信

SOA 采用了 ESB 作为服务间通信的关键组件，负责服务定义、服务路由、消息转换、消息传递，总体上是重量级的实现。微服务推荐使用统一的协议和格式，例如，RESTful 协议、RPC 协议，无须 ESB 这样的重量级实现。Martin Fowler 将微服务架构的服务通讯理念称为“Smart endpoints and dumb pipes”，简单翻译为“聪明的终端，愚蠢的管道”。之所以用“愚蠢”二字，其实就是与 ESB 对比的，因为 ESB 太强大了，既知道每个服务的协议类型（例如，是 RMI 还是 HTTP），又知道每个服务的数据类型（例如，是 XML 还是 JSON），还知道每个数据的格式（例如，是 2017-01-01 还是 01/01/2017），而微服务的“dumb pipes”仅仅做消息传递，对消息格式和内容一无所知。

3. 服务交付

SOA 对服务的交付并没有特殊要求，因为 SOA 更多考虑的是兼容已有的系统；微服务的架构理念要求“快速交付”，相应地要求采取自动化测试、持续集成、自动化部署等敏捷开发相关的最佳实践。如果没有这些基础能力支撑，微服务规模一旦变大（例如，超过 20 个微服务），整体就难以达到快速交付的要求，这也是很多企业在实行微服务时踩过的一个明显的坑，就是系统拆分为微服务后，部署的成本呈指数上升。

4. 应用场景

SOA 更加适合于庞大、复杂、异构的企业级系统，这也是 SOA 诞生的背景。这类系统的典型特征就是很多系统已经发展多年，采用不同的企业级技术，有的是内部开发的，有的是外部购买的，无法完全推倒重来或者进行大规模的优化和重构。因为成本和影响太大，只能采用兼容的方式进行处理，而承担兼容任务的就是 ESB。微服务更加适合于快速、轻量级、基于 Web 的互联网系统，这类系统业务变化快，需要快速尝试、快速交付；同时基本都是基于 Web，虽然开发技术可能差异很大（例如，Java、C++、.NET 等），但对外接口基本都是提供 HTTP RESTful 风格的接口，无须考虑在接口层进行类似 SOA 的 ESB 那样的处理。

综合上述分析，我将 SOA 和微服务对比如下：

因此，我们可以看到，SOA 和微服务本质上是两种不同的架构设计理念，只是在“服务”这个点上有交集而已，因此两者的关系应该是上面第三种观点。

通过前面的详细分析和比较，似乎微服务本质上就是一种比 SOA 要优秀很多的架构模式，那是否意味着我们都应该把架构重构为微服务呢？

其实不然，SOA 和微服务是两种不同理念的架构模式，并不存在孰优孰劣，只是应用场景不同而已。我们介绍 SOA 时候提到其产生历史背景是因为企业的 IT 服务系统庞大而又复杂，改造成本很高，但业务上又要求其互通，因此才会提出 SOA 这种解决方案。如果我们将微服务的架构模式生搬硬套到企业级 IT 服务系统中，这些 IT 服务系统的改造成本可能远远超出实施 SOA 的成本。

微服务架构的好处与优势

微服务架构模式有很多好处。

• 首先，通过分解巨大单体式应用为多个服务方法解决了复杂性问题。在功能不变的情况下，应用被分解为多个可管理的分支 或服务。每个服务都有一个用RPC-或者消息驱动API定义清楚的边界。微服务架构模式给采用单体式编码方式很难实现的功能提供了模块化的解决方案，由 此，单个服务很容易开发、理解和维护。

  
  

• 第二，这种架构使得每个服务都可以有专门开发团队来开发。开发者可以自由选择开发技术，提供API服务。当然，许多公司试图避免混乱，只提供某 些技术选择。然后，这种自由意味着开发者不需要被迫使用某项目开始时采用的过时技术，他们可以选择现在的技术。甚至于，因为服务都是相对简单，即使用现在 技术重写以前代码也不是很困难的事情。

  
  

• 第三，微服务架构模式是每个微服务独立的部署。开发者不再需要协调其它服务部署对本服务的影响。这种改变可以加快部署速度。UI团队可以采用AB测试，快速的部署变化。微服务架构模式使得持续化部署成为可能。

  
  

• 最后，微服务架构模式使得每个服务独立扩展。你可以根据每个服务的规模来部署满足需求的规模。甚至于，你可以使用更适合于服务资源需求的硬件。比如，你可以在EC2 Compute Optimized instances上部署CPU敏感的服务，而在EC2 memory-optimized instances上部署内存数据库。

微服务的陷阱

单纯从上面的对比来看，似乎微服务大大优于 SOA，这也导致了很多团队在实践时不加思考地采用微服务——既不考虑团队的规模，也不考虑业务的发展，也没有考虑基础技术的支撑，只是觉得微服务很牛就赶紧来实施，以为实施了微服务后就什么问题都解决了，而一旦真正实施后才发现掉到微服务的坑里面去了。

我们看一下微服务具体有哪些坑：

1. 服务划分过细，服务间关系复杂

服务划分过细，单个服务的复杂度确实下降了，但整个系统的复杂度却上升了，因为微服务将系统内的复杂度转移为系统间的复杂度了。

从理论的角度来计算，n 个服务的复杂度是 n×(n-1)/2，整体系统的复杂度是随着微服务数量的增加呈指数级增加的。下图形象了说明了整体复杂度：

粗粒度划分服务时，系统被划分为 3 个服务，虽然单个服务较大，但服务间的关系很简单；细粒度划分服务时，虽然单个服务小了一些，但服务间的关系却复杂了很多。

2. 服务数量太多，团队效率急剧下降

微服务的“微”字，本身就是一个陷阱，很多团队看到“微”字后，就想到必须将服务拆分得很细，有的团队人员规模是 5 ~ 6 个人，然而却拆分出 30 多个微服务，平均每个人要维护 5 个以上的微服务。

这样做给工作效率带来了明显的影响，一个简单的需求开发就需要涉及多个微服务，光是微服务之间的接口就有 6 ~ 7 个，无论是设计、开发、测试、部署，都需要工程师不停地在不同的服务间切换。

开发工程师要设计多个接口，打开多个工程，调试时要部署多个程序，提测时打多个包。

测试工程师要部署多个环境，准备多个微服务的数据，测试多个接口。

运维工程师每次上线都要操作多个微服务，并且微服务之间可能还有依赖关系。

3. 调用链太长，性能下降

由于微服务之间都是通过 HTTP 或者 RPC 调用的，每次调用必须经过网络。一般线上的业务接口之间的调用，平均响应时间大约为 50 毫秒，如果用户的一起请求需要经过 6 次微服务调用，则性能消耗就是 300 毫秒，这在很多高性能业务场景下是难以满足需求的。为了支撑业务请求，可能需要大幅增加硬件，这就导致了硬件成本的大幅上升。

4. 调用链太长，问题定位困难

系统拆分为微服务后，一次用户请求需要多个微服务协同处理，任意微服务的故障都将导致整个业务失败。然而由于微服务数量较多，且故障存在扩散现象，快速定位到底是哪个微服务故障是一件复杂的事情。下面是一个典型样例。

Service C 的数据库出现慢查询，导致 Service C 给 Service B 的响应错误，Service B 给Service A 的响应错误，Service A 给用户的响应错误。我们在实际定位时是不会有样例图中这么清晰的，最开始是用户报错，这时我们首先会去查 Service A。导致 Service A 故障的原因有很多，我们可能要花半个小时甚至 1 个小时才能发现是 Service B 返回错误导致的。于是我们又去查 Service B，这相当于重复 Service A 故障定位的步骤……如此循环下去，最后可能花费了几个小时才能定位到是 Service C 的数据库慢查询导致了错误。

如果多个微服务同时发生不同类型的故障，则定位故障更加复杂，如下图所示。

Service C 的数据库发生慢查询故障，同时 Service C 到 Service D 的网络出现故障，此时到底是哪个原因导致了 Service C 返回 Error 给 Service B，需要大量的信息和人力去排查。

5. 没有自动化支撑，无法快速交付

如果没有相应的自动化系统进行支撑，都是靠人工去操作，那么微服务不但达不到快速交付的目的，甚至还不如一个大而全的系统效率高。例如：

没有自动化测试支撑，每次测试时需要测试大量接口。

没有自动化部署支撑，每次部署 6 ~ 7 个服务，几十台机器，运维人员敲 shell 命令逐台部署，手都要敲麻。

没有自动化监控，每次故障定位都需要人工查几十台机器几百个微服务的各种状态和各种日志文件。

6. 没有服务治理，微服务数量多了后管理混乱

信奉微服务理念的设计人员总是强调微服务的 lightweight 特性，并举出 ESB 的反例来证明微服务的优越之处。但具体实践后就会发现，随着微服务种类和数量越来越多，如果没有服务治理系统进行支撑，微服务提倡的 lightweight 就会变成问题。主要问题有：

服务路由：假设某个微服务有 60 个节点，部署在 20 台机器上，那么其他依赖的微服务如何知道这个部署情况呢？

服务故障隔离：假设上述例子中的 60 个节点有 5 个节点发生故障了，依赖的微服务如何处理这种情况呢？

服务注册和发现：同样是上述的例子，现在我们决定从 60 个节点扩容到 80 个节点，或者将 60 个节点缩减为 40 个节点，新增或者减少的节点如何让依赖的服务知道呢？

如果以上场景都依赖人工去管理，整个系统将陷入一片混乱，最终的解决方案必须依赖自动化的服务管理系统，这时就会发现，微服务所推崇的“lightweight”，最终也发展成和ESB 几乎一样的复杂程度。

微服务架构的不足和缺点

Fred Brooks在30Year前写道，“there are no silver bullets”，像任何其它科技一样，微服务架构也有不足

• 其中一个跟他的名字类似，『微服务』强调了服务大小，实际上，有一些开发者鼓吹建立稍微大一 些的，10-100 LOC服务组。尽管小服务更乐于被采用，但是不要忘了这只是终端的选择而不是最终的目的。微服务的目的是有效的拆分应用，实现敏捷开发和部署。

  
  

• 另外一个主要的不足是，微服务应用是分布式系统，由此会带来固有的复杂性。开发者需要在RPC或者消息传递之间选择并完成进程间通讯机制。更甚 于，他们必须写代码来处理消息传递中速度过慢或者不可用等局部失效问题。当然这并不是什么难事，但相对于单体式应用中通过语言层级的方法或者进程调用，微 服务下这种技术显得更复杂一些。

  
  

• 另外一个关于微服务的挑战来自于分区的数据库架构。商业交易中同时给多个业务分主体更新消息很普遍。这种交易对于单体式应用来说很容易，因为只 有一个数据库。在微服务架构应用中，需要更新不同服务所使用的不同的数据库。使用分布式交易并不一定是好的选择，不仅仅是因为CAP理论，还因为今天高扩 展性的NoSQL数据库和消息传递中间件并不支持这一需求。最终你不得不使用一个最终一致性的方法，从而对开发者提出了更高的要求和挑战。

  
  

• 测试一个基于微服务架构的应用也是很复杂的任务。比如，采用流行的Spring Boot架构，对一个单体式web应用，测试它的REST API，是很容易的事情。反过来，同样的服务测试需要启动和它有关的所有服务（至少需要这些服务的stubs）。再重申一次，不能低估了采用微服务架构带 来的复杂性。

  
  

• 另外一个挑战在于，微服务架构模式应用的改变将会波及多个服务。比如，假设你在完成一个案例，需要修改服务A、B、C，而A依赖B，B依赖C。在单体式应用中，你只需要改变相关模块，整合变化，部署就好了。对比之下，微服务架构模式就需要考虑相关改变对不同服务的影响。比如，你需要更新服务C， 然后是B，最后才是A，幸运的是，许多改变一般只影响一个服务，而需要协调多服务的改变很少。

小结

这就是今天的全部内容，留一道思考题给你吧，你们的业务有采用微服务么？谈谈具体实践过程中有什么经验和教训。

欢迎你把答案写到留言区，和我一起讨论。相信经过深度思考的回答，也会让你对知识的理解更加深刻。

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