[架构之路-106]：《软件架构设计：程序员向架构师转型必备》-16-常见的十余种软件分层架构

Posted 2023-03-03 文火冰糖的硅基工坊

1. 软件架构体系

1.1. 系统与子系统

• 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。

• 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，把一个汽车发动机和一堆苹果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，构成一个系统。

• 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。

• 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。

• 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。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。

以微信为例来做一个分析：

微信本身是一个系统，包含聊天、登录、支付、朋友圈等子系统。

朋友圈这个系统又包括动态、评论、点赞等子系统。

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。

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

1.2. 模块、组件、服务

• 模块：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。现代软件开发往往使用模块作为合成的单位

• 组件：自包含的、可编程的、可重用的、与语言无关的软件单元，组件可以很容易被用于组装应用程序中

模块和组件都是系统的组成部分，只是从不同的角度拆分系统而已。例如：

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。

例如我们要做一个学生信息管理系统，这个系统从逻辑的角度来拆分，可以分为：登录注册模块、个人信息模块、个人成绩模块；从物理的角度来拆分，可以拆分为应用程序、 nginx、Web 服务器、MySQL等

• 服务： 服务和组件有某种相似之处：它们都将被外部的应用程序使用。两者之间最大的差异在于：组件是在本地使用的（例如Jar文件）；而服务是运行起来的，要通过同步或异步的远程接口来远程使用（例如RESTFul接口、web service、消息系统、RPC，或者socket）

服务是可以单独运行，并且对外提供功能的一种形式。可以将一个复杂的项目分解成多个服务。当某一个服务挂掉时不会拖垮整个系统。如果没有服务化，每当一个新的功能被添加到系统中就会影响到所有功能；如果采取服务化，每个服务只对其上下游的服务负责。

1.3. 软件架构体系

2. 架构原则

2.1. 解耦

在软件工程中，耦合指的就是对象之间的依赖性。对象之间的耦合度越高，维护成本越高。因此对象的设计应使类和构件之间的耦合最小。软件设计中通常用耦合度和内聚度作为衡量模块独立程度的标准。划分模块的一个准则就是高内聚低耦合。

耦合性存在于各个领域，而非软件设计中独有的，理论上说绝对的零耦合是做不到的，但可以通过一些方法将耦合降至最低，降低耦合度即可理解为解耦，在设计上解耦的核心思想是【彼此独立，互不依赖】。

2.2. 分层

分层结构是最为流行、应用最广泛的应用软件的设计方式。在应用了分层结构的系统中，各个子系统按照层次的形式组织起来，上层使用下层的各种服务，而下层对上层一无所知。每一层都对自己的上层隐藏其下层的细节。

2.3. 封装

假设我们有一个程序，它在逻辑上有一些不同的对象，并且这些对象彼此之间会相互交流。

在一个类中，当每个对象的状态保持相对孤立，就实现了封装。其余的对象并不能观察到这个对象的状态。他们能做到的只有调用一些被称作“方法”的通用功能。

因此，对象使用方法掌控着自己的状态，除非明确允许，没有其他人可以接触到它。如果你想和某个对象交流，你需要使用提供的方法。但在默认情况下，你无法改变对象的状态。

3. 常见的软件分层架构

经典三层架构：

在软件架构中，经典三层架构自顶向下由用户界面层、业务逻辑层、数据访问层组成。在提出该分层架构的时代，多数系统往往较为简单，本质上都是一个单体架构的数据库管理系统。这种分层架构有效地隔离了业务逻辑与数据访问逻辑，使得这两个不同关注点能够相对自由和独立地演化。经典的三层架构如下所示：

分层的设计原则是：保证同一层的组件处于同一个抽象层次。即所谓的“单一抽象层次原则”。这一原则可以运用到分层架构中。比如下图所示：

3.1 单机版/单体经典三分层应用程序架构

在软件架构中，经典三层架构自顶向下由用户界面层、业务逻辑层、数据访问层组成。在提出该分层架构的时代，多数系统往往较为简单，本质上都是一个单体架构的数据库管理系统。这种分层架构有效地隔离了业务逻辑与数据访问逻辑，使得这两个不同关注点能够相对自由和独立地演化。

经典的三层架构如下所示：

3.2 单机版/单体经典四分层应用程序架构

有时候，把数据库看成一个独立的层，经典的单体三层架构就演进程了经典四层架构

分层架构（layered architecture）是最常见的软件架构，也是事实上的标准架构。如果你不知道要用什么架构，那就用它。

这种架构将软件分成若干个水平层，每一层都有清晰的角色和分工，不需要知道其他层的细节。层与层之间通过接口通信。

虽然没有明确约定，软件一定要分成多少层，但是四层的结构最常见。

有的软件在逻辑层和持久层之间，加了一个服务层（service），提供不同业务逻辑需要的一些通用接口。

用户的请求将依次通过这四层的处理，不能跳过其中任何一层。

优点

• 结构简单，容易理解和开发

• 不同技能的程序员可以分工，负责不同的层，天然适合大多数软件公司的组织架构

• 每一层都可以独立测试，其他层的接口通过模拟解决

缺点

• 一旦环境变化，需要代码调整或增加功能时，通常比较麻烦和费时

• 部署比较麻烦，即使只修改一个小地方，往往需要整个软件重新部署，不容易做持续发布

• 软件升级时，可能需要整个服务暂停

• 扩展性差。用户请求大量增加时，必须依次扩展每一层，由于每一层内部是耦合的，扩展会很困难

分层的设计原则是：

保证同一层的组件处于同一个抽象层次。即所谓的“单一抽象层次原则”。

这一原则可以运用到分层架构中。比如下图所示：

在上图中:

表现层：用户界面层

控制层：业务逻辑数据处理层、业务逻辑层等。

引擎层：数据持久化层就是该层。

基础层：数据库就处于该层。

3.3 单机版/单体交互式应用程序架构：MVC架构

MVC: Model-view-controller pattern

模型／视图／控制器模式（简称 MVC 模式）将交互式应用程序拆分为三个部分：

模型（model） – 包含核心功能及数据，业务处理逻辑

视图（view） – 呈现信息给用户，通过有多个不同的视图，呈现给不同的用户

控制器（controller） – 处理用户的输入操作

MVC 模式通过将内部信息表示、用户信息呈现以及用户操作接收分开的方式解耦组件，实现高效代码重用。

使用场景

主流开发语言所构建的互联网网页应用架构

Django 与 Rails 等网页应用开发框架

3.4 网络协议栈：ISO七层协议架构

七层模型，亦称OSI（Open System Interconnection）。参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型。

它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。

应用层

网络服务与最终用户的一个接口。

协议有：HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP

表示层

数据的表示、安全、压缩。（在五层模型里面已经合并到了应用层）

格式有，JPEG、ASCll、EBCDIC、加密格式等 [2]

会话层

建立、管理、终止会话。（在五层模型里面已经合并到了应用层）

对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话

传输层

定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。

协议有：TCP UDP，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层

网络层

进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。

协议有：ICMP IGMP IP（IPV4 IPV6）

数据链路层

建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验 [3] 等功能。（由底层网络定义协议）

将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。

物理层

建立、维护、断开物理连接。（由底层网络定义协议）

3.5 网络协议栈：TCP/IP 四层协议架构

不同人员关注的模型不一样：

对于大众人员会更关注四层模型，因为物理层和数据链路层都是跟网卡和物理线路有关，会话层、表示层、应用层都属于上层制定协议规则的人员决定。

对于网络设备公司，可能更关注五层协议，因为他们生产的设备要明确区分物理层和数据链路层，物理设备更关注数据的传输，相对不太关注应用层协议定制。

对于制定应用层协议的人员，就要更关注七层协议，选择TCP还是UDP，数据的加解密方式，压缩格式等，SSH、HTTPS这些协议的，就要关注并区分会话层、表示层、应用层负责处理哪些功能。

3.6 网络架构：客户端／服务器模式: CS架构

3.6.1 概述

CS: Client-server pattern

cs架构是客户端/服务器体系结构，其中客户端依靠服务器来获取资源。

C/S架构全称为客户端/服务器体系结构，它是一种网络体系结构，其中客户端是用户运行应用程序的PC端或者工作站，客户端要依靠服务器来获取资源。C/S架构是通过提供查询响应而不是总文件传输来减少了网络流量。它允许多用户通过GUI前端更新到共享数据库，在客户端和服务器之间通信一般采用远程调用（RPC）或标准查询语言（SQL）语句。

客户端／服务器模式由两个部分构成：

一个服务器与多个客户端。服务器组件同时为多个客户端组件提供服务。

客户端向服务器发启服务请求，

服务器将相应服务信息回应给客户端。

此外，服务器持续监听来自客户端的请求。

使用场景

电子邮件、文件共享及银行业务等在线应用

3.6.2 多层模型

3.7 网络架构：浏览器／服务器模式: BS架构

3.7.1 概述

B/S（Brower/Server,浏览器/服务器）模式又称B/S结构，是Web兴起后的一种网络结构模式。Web浏览器是客户端最主要的应用软件。

这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用；

客户机上只需要安装一个浏览器，服务器上安装SQL Server, Oracle, MySql等数据库；浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。　　

B/S架构采取浏览器请求，服务器响应的工作模式。

用户可以通过浏览器去访问Internet上由Web服务器产生的文本、数据、图片、动画、视频点播和声音等信息；

而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连接，大量的数据实际存放在数据库服务器中；

从Web服务器上下载程序到本地来执行，在下载过程中若遇到与数据库有关的指令，由Web服务器交给数据库服务器来解释执行，并返回给Web服务器，Web服务器又返回给用户。在这种结构中，将许许多多的网连接到一块，形成一个巨大的网，即全球网。而各个企业可以在此结构的基础上建立自己的Internet。

一张图看懂B/S架构工作原理：

3.7.2 架构与原理

B/S 与C/S 的两层架构不同，它采取三层架构。只要有浏览器就可以打开，具体工作原理如下。

3.7.3 CS/BS区别

3.8 事件驱动架构

事件（event）是状态发生变化时，软件发出的通知。

事件驱动架构（event-driven architecture）就是通过事件进行通信的软件架构。

3.8.1 通用模型

它分成四个部分:

事件队列（event queue）：接收事件的入口

分发器（Event mediator/Dispacher）：将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元

事件通道（Event channel）：分发器与事件处理单元之间的联系渠道，该事件通道可以做成消息队列或者消息主题(message topics)，或者两种的结合。

事件处理器（Event processor）：实现业务逻辑，处理完成后会发出事件，触发下一步操作。

3.8.2 简化模型

对于简单的项目，事件队列、分发器和事件通道，可以合为一体，整个软件就分成：

事件代理和事件处理器两部分。

优点

分布式的异步架构，事件处理器之间高度解耦，软件的扩展性好

适用性广，各种类型的项目都可以用

性能较好，因为事件的异步本质，软件不易产生堵塞

事件处理器可以独立地加载和卸载，容易部署

缺点

涉及异步编程（要考虑远程通信、失去响应等情况），开发相对复杂

难以支持原子性操作，因为事件通过会涉及多个处理器，很难回滚

分布式和异步特性导致这个架构较难测试

3.9 微核架构

微核架构（microkernel architecture）又称为"插件架构"（plug-in architecture），指的是软件的内核相对较小，主要功能和业务逻辑都通过插件实现。

内核（core）通常只包含系统运行的最小功能。插件则是互相独立的，插件之间的通信，应该减少到最低，避免出现互相依赖的问题。

优点

良好的功能延伸性（extensibility），需要什么功能，开发一个插件即可

功能之间是隔离的，插件可以独立的加载和卸载，使得它比较容易部署，

可定制性高，适应不同的开发需要

可以渐进式地开发，逐步增加功能

缺点

扩展性（scalability）差，内核通常是一个独立单元，不容易做成分布式

开发难度相对较高，因为涉及到插件与内核的通信，以及内部的插件登记机制

Linux操作系统与内核驱动的关系，就是微核架构！！！

3.10 微服务架构

微服务架构（microservices architecture）是面向服务的架构（service-oriented architecture，缩写 SOA）的升级。

每一个服务就是一个独立的部署单元（separately deployed unit）。

这些单元都是分布式的，互相解耦，通过远程通信协议（比如REST、SOAP）联系。

微服务架构分成三种实现模式：

（1）RESTful API 模式：服务通过 API 提供，云服务就属于这一类

（2）RESTful 应用模式：服务通过传统的网络协议或者应用协议提供，背后通常是一个多功能的应用程序，常见于企业内部

（3）集中消息模式：采用消息代理（message broker），可以实现消息队列、负载均衡、统一日志和异常处理，缺点是会出现单点失败，消息代理可能要做成集群

优点

扩展性好，各个服务之间低耦合

容易部署，软件从单一可部署单元，被拆成了多个服务，每个服务都是可部署单元

容易开发，每个组件都可以进行持续集成式的开发，可以做到实时部署，不间断地升级

易于测试，可以单独测试每一个服务

缺点

由于强调互相独立和低耦合，服务可能会拆分得很细。这导致系统依赖大量的微服务，变得很凌乱和笨重，性能也会不佳。

一旦服务之间需要通信（即一个服务要用到另一个服务），整个架构就会变得复杂。典型的例子就是一些通用的 Utility 类，一种解决方案是把它们拷贝到每一个服务中去，用冗余换取架构的简单性。

分布式的本质使得这种架构很难实现原子性操作，交易回滚会比较困难。

3.11云架构

云结构（cloud architecture）主要解决扩展性和并发的问题，是最容易扩展的架构。

它的高扩展性，主要原因是没使用中央数据库，而是把数据都复制到内存中，变成可复制的内存数据单元。然后，业务处理能力封装成一个个处理单元（prcessing unit）。访问量增加，就新建处理单元；访问量减少，就关闭处理单元。由于没有中央数据库，所以扩展性的最大瓶颈消失了。

由于每个处理单元的数据都在内存里，最好要进行数据持久化。

这个模式主要分成两部分：处理单元（processing unit）和虚拟中间件（virtualized middleware）。

处理单元：实现业务逻辑

虚拟中间件：负责通信、保持sessions、数据复制、分布式处理、处理单元的部署。

虚拟中间件又包含四个组件。

消息中间件（Messaging Grid）：管理用户请求和session，当一个请求进来以后，决定分配给哪一个处理单元。

数据中间件（Data Grid）：将数据复制到每一个处理单元，即数据同步。保证某个处理单元都得到同样的数据。

处理中间件（Processing Grid）：可选，如果一个请求涉及不同类型的处理单元，该中间件负责协调处理单元

部署中间件（Deployment Manager）：负责处理单元的启动和关闭，监控负载和响应时间，当负载增加，就新启动处理单元，负载减少，就关闭处理单元。

优点

高负载，高扩展性

动态部署

缺点

实现复杂，成本较高

主要适合网站类应用，不合适大量数据吞吐的大型数据库应用

较难测试

3.12 移动通信网络分层架构

3.12.1 网络分层架构

3.12.2 数据面协议栈

3.13 物联网网络封层