架构思维：抽象分层分治演化

Posted 2021-06-16 爪哇岛主

架构思维：抽象、分层、分治、演化

互联网的精髓就是共享，可以共享技术、共享经验、共享情感、共享快乐~

很多年前就有这个想法了，从事IT行业时间也不短了，应该把自己工作和业余所学习的东西记录并分享出来，和有缘人一起学习和交流。

如果您是那个有缘人，请上岛一叙！爪哇岛随时欢迎您！

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一、总述架构

1. 架构的本质是管理复杂性，抽象、分层、分治和演化架构的本质是管理复杂性，抽象、分层、分治和演化 是应对和管理复杂性的四种最基本武器。
2. 对思维习惯和思考能力的培养，其重要性远远大于对实际技术工具的掌握。

二、抽象思维

1. 抽象(abstraction)这个词大家经常听到，但是真正理解和能讲清楚什么是抽象的人少之又少。抽象其实是这样定义的：对某种事物进行简化表示或描述的过程，抽象让我们关注要素，隐藏额外细节。
2. 在系统架构和设计中，抽象帮助我们从大处着眼（get our mind about big picture），隐藏细节（temporarily hide details）。抽象能力的强弱，直接决定我们所能解决问题的复杂性和规模大小。
   
   搭积木的时候，小朋友脑袋里头先有一个城堡的大图（抽象），然后他/她大脑里头会有一个初步的子模块分解（潜意识中完成），接着用利用积木搭建每一个子模块，最终拼装出最后的城堡。
3. 架构师先要在大脑中形成抽象概念，然后是子模块分解，然后是依次实现子模块，最后将子模块拼装组合起来，形成最后系统。 优秀的架构师受职业习惯影响，眼睛里看到的世界都是模块化拼装组合式的。抽象能力不仅对软件系统架构设计重要，对建筑、商业、管理等人类其它领域活动同样非常重要。其实可以这样认为，我们生存的世界都是在抽象的基础上构建起来的，离开抽象人类将寸步难行。
4. 有经验的程序员写代码会保持抽象层次的一致性，代码读起来像讲故事，比较清晰易于理解；而没有经验的程序员会有明显的抽象层次跳跃问题，代码读起来就比较累，这个是抽象能力不足造成。
   
   上述流程中的抽象是在同一个层次上的，比较清晰易于理解，但是没有经验的程序员在实现这个流程的时候，代码层次会跳，比方说主流程到支付卡校验一块，他的代码会突然跳出一行某银行API远程调用，这个就是抽象跳跃，银行API调用是细节，应该封装在PaycardVerification这个抽象里头。

三、分层思维

1. 构建一套复杂系统，我们把整个系统划分成若干个层次，每一层专注解决某个领域的问题，并向上提供服务。
   有些层次是纵向的，它贯穿所有其它层次，称为共享层。
   分层也可以认为是抽象的一种方式，将系统抽象分解成若干层次化的模块。
   
   今天的互联网系统可以认为是现代文明的一个层次，其上是基于互联网的现代商业，其下是现代电子工业基础设施。

四、分治思维

1. 分而治之(divide and combine或者split and merge)也是应对和管理复杂性的一般性方法，下图展示一个分治的思维流程：
2. 分治：分解和合并
   分解： 对于一个无法一次解决的大问题，我们会先把大问题分解成若干个子问题，如果子问题还无法直接解决，则继续分解成子子问题，直到可以直接解决的程度，这个是分解(divide)的过程；
   合并： 将子子问题的解组合拼装成子问题的解，再将子问题的解组合拼装成原问题的解，这个是组合(combine)的过程。

【面试题】 给你一台8G内存/500G磁盘空间的普通电脑，如何对一个100G的大文件进行排序？假定文件中都是字符串记录，一行约100个字符。
【思路】 100G的大文件肯定无法一次加载到内存直接排序，所以需要先切分成若干小问题来解决；
【拆解1】 8G内存的计算机一次大概能排多大的数据量，可以在有限的时间内排完呢？ 100G的大文件要怎么切法，切成多少份比较合适？【 考察候选人的时间空间复杂度估算能力】
【解题】 8G内存，排除操作系统消耗，Java排序程序JVM可用2~4G内存，基于经验值，一次排1G左右的数据应该没有问题； 所以100G的文件需要先切分成100份，每份1G，这样每个子文件可以直接加载到内存进行排序。另外， 对于1G数据量的字符串排序，采用Java里头提供的快速排序算法是比较合适的。
【分解2】现在硬盘上有100个已经排好序的文件，但是我们最终需要的是一个排好序的文件，下面该怎么做？ 这个时候我们需要把已经解决的子问题组合起来，合并成我们需要的最终结果文件。【 考察候选人对外排序和归并排序算法的掌握程度】
【解题】 将100个排好序的文件进行两两归并排序，这样不断重复，我们就会得到50个排好序的文件，每个大小是2G。然后再两两归并，不断重复，直到最后两个文件归并成目标文件，这个文件就是100G并且是排好序的。（ 因为是外排序+归并排序，每次只需要读取当前索引指向的文件记录到内存，进行比较，小的那个输出到目标文件，内存占用极少。 另外，上面的算法是两路归并，也可以采用多路归并，甚至是采用堆排序进行优化）

【考点】 分治思想； 算法：快排，外排序，归并排序，堆排序； 计算的时间空间复杂度估算，计算机的内外存特性和组织，文件操作；
3. 分治： 递归
A. 掌握递归技术的开发人员，相当于掌握了一种强大的编程武器，可以解决一些一般开发人员无法解决的问题。
B. 大自然中递归结构比比皆是， 大自然通过递归给我们人类何种启示？

五、演化思维

1. 架构是设计出来的？还是演化出来的？基于多年的架构经验来说，架构既是设计出来的，同时也是演化出来的，对于互联网系统，基本上可以说是三分设计，七分演化，而且是在设计中演化，在演化中设计，一个不断迭代的过程。
2. 在互联网软件系统的整个生命周期过程中，前期的设计和开发大致只占三分，在后面的七分时间里，架构师需要根据用户的反馈对架构进行不断的调整。
3. 架构师除了要利用自身的架构设计能力，同时也要学会借助用户反馈和进化的力量，推动架构的持续演进，这个就是演化式架构思维。
4. 优秀的架构师深知，能够不断应对环境变化的系统，才是有生命力的系统，架构的好坏，很大部分取决于它应对变化的灵活性。所以具有演化式思维的架构师，能够在一开始设计时就考虑到后续架构的演化特性，并且将灵活应对变化的能力作为架构设计的主要考量。
5. 社区正在兴起一种新的架构方法学~演化式架构，微服务架构就是一种典型的演化式架构，它能够快速响应市场用户需求的变化，而单体架构就缺乏这种灵活性。
6. 马丁·福乐曾经在其博客上给出过一张微服务架构的演化路线图，可以用来解释设计式思维和演化式思维的差异，如下图所示：
   
   【设计式思维】----上行路线
   【问题】上面的路线是一开始就直奔微服务架构，其实背后体现的是设计式架构的思维 ，认为架构师可以完全设计整个系统和它的演化方向。
   【风险分析】马丁认为这种做法风险非常高，一个是成本高昂，另外一个是刚开始架构师对业务域理解不深，无法清晰划分领域边界，开发出来的系统很可能无法满足用户需求。

      【演化式思维】----下行路线
      上面的路线是从单体架构开始，随着架构师对业务域理解的不断深入，也随着业务和团队规模的不断扩大，渐进式地把单块架构拆分成微服务架构的思路，这就是演化式架构的思维。
      目前大多数大型互联网公司得系统架构走得都是演化式架构的路线。类似下面的建筑的演化史，在每个阶段，你可以看到设计的影子：

六、如何培养架构思维【总结】

1. 工作中大量高质量项目的实战锻炼
2. 平时的学习、思考和提炼总结
3. 基本的架构设计思维， 可以从数据结构和算法中可以找到影子
4. 对于演化设计思维， 更多在实际工作中通过实战锻炼和培养

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1. 一个架构师的成长高度和他大学期间的思维习惯的养成关系密切
2. 世界一流的互联网公司，例如谷歌等，招聘工程师新人时，对数据结构和算法的要求可以用苛刻来形容

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1. 掌握了抽象、分层、分治和演化这四种基本的武器，你可以设计小到一个类，一个模块，一个子系统，或者一个中型的系统，也可以大到一个公司的基础平台架构，微服务架构，技术体系架构，甚至是组织架构，业务架构等等；
2. 架构设计不是静态的，而是动态演化的。只有能够不断应对环境变化的系统，才是有生命力的系统。 在设计的同时，借助反馈和进化的力量推动架构的持续演进。
3. 架构师在关注技术，开发应用的同时，需要定期梳理自己的架构设计思维，积累时间长了，你看待世界事物的方式会发生根本性变化，你会发现我们生活其中的世界，其实也是在抽象、分层、分治和演化的基础上构建起来的。
4. 对抽象、分层、分治和演化掌握的深度和灵活应用的水平，直接决定架构师所能解决问题域的复杂性和规模大小，是区分普通应用型架构师和平台型/系统型架构师的一个分水岭。

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