软件架构模式

Posted 2020-11-22 xybaby

阅读《clean architecture》也花了较长的时间，大致也了解到整洁的架构要做到以下两点：

• well-isolated components：component是独立部署的最小单元，由一系列遵循SOLID原则的module按照REP、CCP、CEP原则组成。
• dependency rule：低层的detail去依赖高层的police

但感觉并没有对架构设计给出可行的参考。

clean architecture 中的架构实例

在《clean architecture》的第34章 “The Missing Chapter”（由 Simon Brown 编写）给出了一个具体的案例，用四种架构设计来实现一个 “online book store”。

package by layer

这是最常见的方案，从前往后分为：前端、后台（business logic）、持久化DB。

优点是：简单、容易上手，符合大多数公司的组织架构。

存在的问题：

• 软件规模和复杂度增加时，三层架构就不够了，需要重新考虑拆分；
• 分层架构体现不出business domain；

PACKAGE BY FEATURE

垂直切分方案，所有的java代码都放在一个package里面

好处在于凸显domain concept

PORTS AND ADAPTERS

clean architecture这本书推荐的方案, 外层依赖于内层的domain

PACKAGE BY COMPONENT

本章作者 Simon Brown 提出的方案，service-centric view，将所有相关的职责打包称一个粗粒度的Jar包

bundling all of the responsibilities related to a single coarse-grained component into a single Java package

看起来类似现在微服务的部署方式

对于以上四种结构，依赖关系看起来是这样的

值得注意的是

• 虚线箭头表示component之间的依赖关系
• PORTS AND ADAPTERS这种架构更能体现domain（business logic），即接口命名为Orders而不是OrdersRepository

本章的作者最后还指出：++不管架构怎么设计，粗心的implementation都可能违背最初的设计；依赖编译器来保证架构的一以贯之，而不是自我约束或者事后检查。++

五种常见架构模式

看完了clean architecture后，在网上搜索架构设计相关的书籍，发现了software architecture patterns这本小册子，篇幅很短，称不上book，而是一个report。

software architecture patterns 指出缺乏架构设计的软件往往高度耦合，难以改变。因此，这本小册子的目标就是介绍常用架构模式的特点、优点、缺点，帮助我们针对特定的业务需求做出合适的选择。

Layered Architecture

分层架构也称为n-tire architecture，这是最为常见的一种架构模式，一般从前往后分为四层：presentation, business, persistence, and database。如下图所示：

分层架构一般是一个新系统的最佳首选，因为其完美匹配传统IT公司组织架构：一般的公司招人都是前端、后端、数据库。

分层架构的优点在于关注点隔离（separation of concerns），每一层做好自己这一层的职责，并向上一层提供服务即可，最为经典的案例就是七层网络模型，这有利于开发、测试、管理与维护。

分层架构中，需要注意的是两个概念：closed layer、open layer

closed layer的核心就是不要越层访问，比如在上图中，Presentation Layer就不应该跨国Business Layer直接去Persistence Layer访问数据。

A closed layer means that as a request moves from layer to layer, it must go through the layer right below it to get to the next layer below that one

closed layer保证了层隔离（ layers of isolation），使得某一层的修改影响的范围尽可能小，比较可控。但closed layer有时候也会带来一个问题：architecture sinkhole anti pattern（污水池反模式），具体是指，为了查简单数据，层层转发请求。比如为了在展示层显示玩家的某个数据，需要通过业务层、再到持久化层、再到DB层；取到数据再一层层传递回来，在这个过程中，业务层并没有对数据有逻辑上的处理。

显示，污水池反模式冲击了closed layer的美好想法。如何衡量这种层层转发的请求是不是问题，可以参考80-20法则。

如果80%是附带逻辑的，那么就是ok的，但如果有80% 是 simple passthrough processing，那么就得考虑让某些layer open。比如在复杂的业务系统中, 经常会有一些可复用的逻辑，这个时候会抽取为通用的服务层(service layer)。如下图所示

open layer 、close layer的概念可以帮助理清楚架构和请求流程之间的关系，让架构师、程序员都清楚架构的边界（boundary）在哪里，重要的是，这个open-closed关系需要明确的文档化，不要随意打破，否则就会一团糟。

Event-Driven Architecture

The event-driven architecture pattern is a popular distributed asynchronous architecture pattern used to produce highly scalable applications.

从上述定义可以看出事件驱动架构的几个特点：分布式、异步、可伸缩。其核心是：高度解耦合、专一职责的事件处理单元(Event Processor)

事件驱动架构有两种常见拓扑结构： the mediator and the broker.

Mediator Topology

需要一个中心化（全局唯一）的协调单元，用于组织一个事件中的多个步骤，这些步骤中有些是可并行的，有些必须是顺序执行的，这就依赖Event Mediator的调度。如下图所示

Broker Topology
这种是没有中心的架构

the message flow is distributed across the event processor components in a chain-like fashion through a lightweight message broker

如下图所示

事件驱动的好处在于，高度可伸缩、便于部署、整体性能较好（得益于某些事件的并发执行）。但由于其分布式异步的本性，其缺点也很明显：开发比较复杂、维护成本较高；而且很难支持事务，尤其是一个逻辑事件跨越多个processor的时候。

Microkernel Architecture

微内核架构又称之为插件式架构（plug-in architecture）。如下图所示：

微内核架构包含两部分组件

• a core system
• plug-in modules.

plug-in modules 是相互独立的组件，用于增加、扩展 core system 的功能。

这种架构非常适用于 product-based applications 即需要打包、下载、安装的应用，比如桌面应用。最经典的例子就是Eclipse编辑器，玩游戏的同学经常下载使用的MOD也可以看出插件。

微内核架构通常可以是其他架构的一部分，以实现特定部分的渐进式设计、增量开发

Microservices Architecture Pattern

微服务架构并不是为了解决新问题而发明的新架构，而是从分层架构的单体式应用和SOA（service-oriented architecture）演化而来。

微服务解决了分层架构潜在的成为单体式应用（Monolithic application）的问题：

through the development of continuous delivery, separating the application into multiple deployable units

同时，微服务还通过简化（泛化）服务的概念，消除编排需求，简化对服务组件的连接访问。从而避免了SOA的各种缺点：复杂、昂贵、重度、难以理解和开发。

The microservices architecture style addresses this complexity by simplifying the notion of a service, eliminating orchestration needs, and simplifying connectivity and access to service components.

微服务架构如下：

其核心是service component，这些服务组件相互解耦，易于独立开发、部署。服务组件的粒度是微服务架构中最难的挑战

• 太大：失去了微服务架构的优势
• 太小：导致需要编排，或者服务组件间的通信、事务。

而微服务架构相比SOA而言，其优势就在于避免依赖和编排 -- 编排引入大量的复杂工作。

对于单个请求 如果service之间还要通信，那么可能是就是粒度过小。解决办法：

• 如果通信是为了访问数据：那么可以通过共享db解决
• 如果通信是为了使用功能：那么可以考虑代码的冗余，虽然这违背了DRY原则。在clean architecture中也指出，component的自完备性有时候要高于代码复用。

Space-Based Architecture

基于空间的架构，其核心目标是解决由于数据库瓶颈导致的低伸缩性、低并发问题。

分层架构中，在用户规模激增的情况下，数据层的扩展往往会成为最后的瓶颈（相对而言，前端和业务逻辑都容易做成无状态，比较好水平扩展）。而基于空间的架构的核心是内存复制，根本上解决了这个问题。

High scalability is achieved by removing the central database constraint and using replicated in-memory data grids instead

架构如下：

其核心组件包括

• processing unit，处理单元，其内部又包含一下组成
  • business logic
  • in-memory data grid
  • an optional asynchronous persistent store for failover
  • replication engine，用于同步数据修改
• virtualized middleware
  • Messaging Grid: 监控processing unit可用性，路由客户端请求到processing unit
  • Data Grid: 核心，负责processingunit之间的数据同步，毫秒级同步？
  • Processing Grid: 可选组件，如果一个请求需要多个processing unit的服务，那么负责协调分发
  • Deployment Manager： 负责processing unit的按需启停

基于空间的架构很少见，而且从上面的核心组件描述来看的话，开发和维护应该都是比较负责的，由于是数据的同步这块。而且由于数据都保存在内存中，那么数据量就不能太大。

基于空间的架构适用于需求变化大的小型web应用，不适用于有大量数据操作的传统大规模关系型数据库应用

references

clean architecture

software architecture patterns